La vida en la Tierra es sustentada por el sol. Tanto las plantas silvestres, como las plantas cultivadas obtienen su energía de la luz solar. Todas las partes verdes de una planta tienen estructuras especializadas para capturar la luz del ambiente. Estas estructuras son los cloroplastos. Sin embargo, los cloroplastos se encuentran más abundantemente en las hojas.
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En presencia de luz, las partes verdes de las plantas producen materiales orgánicos y oxígeno a partir de bióxido de carbono y agua. La fórmula general de la Fotosíntesis es la siguiente:
Los cloroplastos contienen clorofila. La clorofila es un pigmento verde, así, asumimos que de todos los colores de la luz, la clorofila absorbe los colores de las longitudes de onda correspondientes al rojo y al amarillo, y que refleja la luz verde. Los fotones excitan las "cabezas" de cada molécula de clorofila, ésto quiere decir que uno de los electrones de la clorofila es elevados a un orbital más alto.
Así, la energía absorbida por un fotón se convierte en energía potencial del electrón que se elevó a un nivel de energía más alto. La energía pasa de molécula a molécula en el cloroplasto hasta el centro de reacción, en donde la energía genera una reacción oxido-reductiva.
Entonces, el electrón excitado es capturado por una molécula llamada Aceptor Primario del Electrón. Luego, el electrón es transferido a una cadena de transporte del electrón, el NADP, el cual engendra moléculas de Adenosín Trifosfato (ATP).
La energía se almacena en estas moléculas de ATP, la cual se usará para la producción de compuestos orgánicos como Glucosa, Ribosa, Almidón, Proteínas, Lípidos, etc.
El agua (H2O) es un factor indispensable para la vida. La vida se originó en el agua, y todos los seres vivos tienen necesidad del agua para subsistir. El agua forma parte de diversos procesos químicos orgánicos, por ejemplo, las moléculas de agua se usan durante la fotosíntesis, liberando a la atmósfera los átomos de oxígeno del agua. El agua actúa como termoregulador del clima y de los sistemas vivientes: Gracias al agua, el clima de la Tierra se mantiene fijo.
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El agua funciona también como termoregulador en los sistemas vivos, especialmente en animales endotermos (aves y mamíferos).
Ésto es posible gracias al calor específico del agua, que es de una caloría para el agua (calor específico es el calor -medido en calorías- necesario para elevar la temperatura de un gramo de una substancia en un grado Celsius). En términos biológicos, ésto significa que frente a una elevación de la temperatura en el ambiente circundante, la temperatura de una masa de agua subirá con una mayor lentitud que otros materiales. Igualmente, si la temperatura circundante disminuye, la temperatura de esa masa de agua disminuirá con más lentitud que la de otros materiales. Así, esta cualidad del agua permite que los organismos acuáticos vivan relativamente con placidez en un ambiente con temperatura fija.
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La evaporación es el cambio de una substancia de un estado físico líquido a un estado físico gaseoso. Necesitamos 540 calorías para evaporar un gramo de agua. En este punto, el agua hierve (punto de ebullición). Esto significa que tenemos que elevar la temperatura hasta 100°C para hacer que el agua hierva. Cuando el agua se evapora desde la superficie de la piel, o de la superficie de las hojas de una planta, las moléculas de agua arrastran consigo calor. Ésto funciona como un sistema refrescante en los organismos.
Otra ventaja del agua es su punto de congelación. Cuando se desea que una substancia cambie de un estado físico líquido aun estado físico sólido, se debe extraer calor de esa substancia.
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La temperatura a la cual se produce el cambio en una substancia desde un estado físico líquido a un estado físico sólido se llama punto de fusión. Para cambiar el agua del estado físico líquido al sólido, tenemos que disminuir la temperatura circundante a 0°C.
Para fundirla de nuevo, es decir para cambiar un gramo de hielo a agua líquida, se requiere un suministro de calor de 79.7 calorías. Cuando el agua se congela, la misma cantidad de calor es liberada al ambiente circundante. Esto permite que en invierno la temperatura del entorno no disminuya al grado de aniquilar toda la vida en el planeta.
La presencia de vida sobre nuestro planeta no sería posible sin nuestra atmósfera actual. Muchos planetas en nuestro sistema solar tienen una atmósfera, pero la estructura de la atmósfera terrestre es la ideal para el origen y la perpetuación de la vida como la conocemos. Su constitución hace que la atmósfera terrestre sea tan especial.
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La atmósfera terrestre está formada por cuatro capas concéntricas sobrepuestas que se extienden hasta 80 kilómetros. La divergencia en sus temperaturas permite diferenciar estas capas.
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La capa que se extiende sobre la superficie terrestre hasta cerca de 10 Km. es llamada troposfera. En esta capa la temperatura disminuye en proporción inversa a la altura, eso quiere decir que a mayor altura la temperatura será menor. La temperatura mínima al final de la troposfera es de -50C.
La Troposfera contiene las tres cuartas partes de todas las moléculas de la atmósfera. Esta capa está en movimiento continuo, y casi todos los fenómenos meteorológicos ocurren en esta capa.
Cada límite entre dos capas atmosféricas se llama pausa, y el prefijo perteneciente a la capa más baja se coloca antes de la palabra "pausa". Por este método, el límite entre la troposfera y la capa más alta inmediata (estratosfera) se llama tropopausa.
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La siguiente capa es la Estratosfera, la cual se extiende desde los 10 Km. y termina hasta los 50 Km. de altitud. Aquí, la temperatura aumenta proporcionalmente a la altura; a mayor altura, mayor temperatura. En el límite superior de la estratosfera, la temperatura alcanza casi 25 °C. La causa de este aumento en la temperatura es la capa de ozono (Ozonósfera). El ozono absorbe la radiación Ultravioleta que rompe las moléculas de Oxígeno (O2), engendrando átomos libres de Oxígeno (O), los cuales se conectan otra vez para construir el Ozono (O3). En este tipo de reacciones químicas, la transformación de energía luminosa en energía química engendra calor que provoca un mayor movimiento molecular. Ésta es la razón del aumento en la temperatura de la estratosfera.
La ozonósfera tiene una influencia sin par para la vida, dado que detiene las emisiones solares que son mortales para todos los organismos. Si nosotros nos imaginamos la capa de ozono como una pelota de fútbol, veríamos el Agotamiento de la Capa de Ozono semejante a una depresión profunda sobre la piel de la pelota, como si estuviese un poco desinflada.
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Por encima de la Estratosfera está la Mesosfera. La mesosfera se extiende desde
el límite de la estratosfera (Estratopausa) hasta los 80 Km. hacia el espacio.
1. Todos los seres vivos están constituidos por células.
2. Cada célula procede de otra célula (Biogénesis).
3. Las reacciones químicas y los cambios de energía de un organismo, incluyendo la Biosíntesis, ocurren en la célula.
4. Cada célula contiene el material hereditario total (genoma), el cual es donado por las células madre a las células hijas.
LUZ (ENERGÍA RADIANTE)
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Del total de la energía solar que llega en la Tierra (1.94 calorías por centímetro cuadrado por minuto), casi 0.582 calorías son reflejadas hacia el espacio por el polvo y las nubes de la atmósfera terrestre, las capas atmosféricas absorben 0.388 calorías, y 0.97 calorías llegan a la superficie terrestre.
La luz es un factor abiótico esencial del ecosistema, dado que constituye el suministro principal de energía para todos los organismos. La energía radiante es convertida por las plantasen energía química gracias al proceso llamado fotosíntesis.
Esta energía química es encerrada en las substancias orgánicas producidas por las plantas. Es inútil decir que sin la luz, la vida no existiría sobre la Tierra.
Además de esta valiosa función, la luz regula los ritmos biológicos de la mayor parte de la especies.
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La luz visible no es la única forma de energía que nos llega desde el sol. El sol nos envía varios tipos de energía, desde ondas de radio hasta rayos gamma. La luz (UV) ultravioleta y la radiación infrarroja (calor) se encuentran entre estas formas de radiación solar. Ambas, la luz UV y la radiación Infrarroja, son factores ecológicos muy valiosos.
Muchos insectos aprovechan la luz ultravioleta (UV) para diferenciar una flor de otra. Los humanos no podemos percibir la radiación UV.
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Actúa también limitando algunas reacciones bioquímicas que podrían ser perniciosas para los seres vivos, aniquilan patógenos, y pueden producir mutaciones favorables en todas las formas de vida.
CALOR
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Calor es energía en tránsito desde un sistema con mayor cantidad de energía almacenada hacia otros sistemas con menor cantidad de energía almacenada.
El calor es útil para los organismos ectotérmicos, para ser preciso, los organismos que no están adaptados para regular su temperatura corporal (por ejemplo, los peces, los anfibios y los reptiles). Las plantas utilizan una cantidad pequeña del calor para realizar el proceso fotosintético y se adaptan para sobrevivir entre límites de temperatura mínimos y máximos. Esto es válido para todos los organismos, desde los Archaea hasta los Mamíferos. Aunque existen algunos microorganismos que toleran excepcionalmente temperaturas extremas, aún ellos perecerían si fueran retirados de esos rigurosos ambientes.
Cuando las ondas infrarrojas penetran en la atmósfera, el agua y el bióxido de carbono en la atmósfera terrestre demoran la salida de las ondas del calor, consecuentemente la radiación infrarroja permanece en la atmósfera y la calienta (efecto de invernadero). Los océanos juegan un papel importante en la estabilidad del clima terrestre.
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La diferencia de temperaturas entre diferentes masas de agua oceánica, en combinación con los vientos y la rotación de la Tierra, crea las corrientes marítimas. El desplazamiento del calor que es liberado desde los océanos, o que es absorbido por las aguas oceánicas permite que ciertas zonas atmosféricas frías se calienten, y que las regiones atmosféricas calientes se refresquen.
Los carbohidratos, o hidratos de carbono, son compuestos orgánicos constituidos por átomos de Carbono, Oxígeno e Hidrógeno. También se les denomina Azúcares, Glucósidos o Sacáridos. La fórmula básica para los carbohidratos es CH2O.
Podemos distinguir tres clases de carbohidratos:
Monosacáridos (sacárido que no puede hidrolizarse para obtener sacáridos más pequeños), Disacáridos (dos moléculas de monosacáridos) y Polisacáridos (tres o más moléculas de monosacáridos).
Los Monosacáridos son glucósidos que no se pueden hidrolizar para obtener moléculas más pequeñas de glucósidos.
Los Disacáridos están formados por dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico, por ejemplo la Sacarosa (Glucosa+Fructosa), Maltosa (Glucosa+ Glucosa), la Lactosa (Glucosa+Galactosa), etc.
Los Polisacáridos son polímeros de sacáridos, formados por tres o más monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos, como la Amilosa (almidón no ramificado), la cual está formada exclusivamente por moléculas alfa-Glucosa, la Amilopectina (almidón ramificado), el Glucógeno (polímero de almacenamiento en los animales), la Celulosa, etc.
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IMPORTANCIA DE LOS CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos, o Hidratos de Carbono, son muy necesarios para la vida, pues además de servir como fuente primaria de energía para los seres vivos, sirven para formar estructuras celulares. Por ejemplo, la celulosa es el componente principal de la pared celular en la célula vegetal.
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Nivel Celular: Los biosistemas están formados por células.
La célula es la unidad básica funcional y estructural de todo ser vivo.
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Las moléculas se organizan altamente para construir membranas estructurales (organelos), que poseen funciones específicas, según los materiales con que ellas están formadas.
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BIOMEMBRANAS Y PARED CELULAR:
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La célula posee un medio hídrico llamado citosol que contiene los factores necesarios para su supervivencia. Este medio interno celular debe mantenerse separado del entorno para evitar los cambios químicos que, de no existir esa barrera, ocurrirían espontáneamente, terminando en la desorganización del sistema completo.
El medio interno celular debe mantenerse cuasi-estable, pues la obtención y la biotransferencia de la energía son altamente específicas. Si el medio interno de la célula quedase desprotegido, por ejemplo, cuando la membrana o la pared celulares se rompen, la célula muere de inmediato porque los compuestos se disgregan en el medio externo, apartándose de otras biomoléculas con las cuales ellos interactúan. Además, muchas biomoléculas cambian o pierden sus propiedades bióticas y su organización al quedar expuestas a la acción del medio ambiente o a condiciones no estables.
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Todas las células tienen biomembranas que separan su ambiente interno del entorno. Las bacterias tienen una membrana simple y una pared celular periférica, hecha de peptidoglicano (proteínas + oligosacáridos), adyacente a la membrana celular. Ambas estructuras, la membrana y la pared, contienen al citosol. Algunas bacterias tienen una membrana externa simple, una pared celular intermedia y otra membrana simple externa. Todas las células eucariotas poseen una membrana fosfolipídica de dos capas externa. Las células vegetales poseen una membrana fosfolipídica de dos capas interna con respecto a una pared celular externa hecha de celulosa.
La membrana citoplasmática está constituida por una bi-capa fosfolipídica con proteínas incrustadas de afuera hacia dentro. Imagínese la membrana citoplasmática como un sándwich de aguacate, en el que las dos rebanadas de pan son las "cabezas" (hidrofílicas) de la bi-capa fosfolipídica, y el aguacate representa las "colas" de la bi-capa fosfolipídica (hidrofóbicas), una capa es fijada a la otra por las colas. Para completar nuestro sándwich, incrustamos aceitunas de un lado a otro, y algunos fragmentos de palillos de dientes incrustados en la rebanada superior y otros fragmentos en la rebanada más baja. Las aceitunas representan unas estructuras muy importantes de la membrana proteica identificadas como permeasas.
Las permeasas son enzimas que transportan sustancias a través de la membrana celular, sea hacia el interior o hacia el exterior de la célula, y son altamente específicas en su función. Además de este papel, la membrana celular opera como contenedor y como protección para el citoplasma. Los fragmentos de palillo de dientes representan los carbohidratos, glucoproteínas, y glucolípidos.
El ingrediente vivo de la célula es el citoplasma. El citoplasma es un complejo de sustancias orgánicas e inorgánicas, básicamente, proteínas, lípidos, carbohidratos, minerales y agua. Estas sustancias se organizan para constituir organelos, por ejemplo, el retículo endoplásmico, los ribosomas, los cloroplastos, las mitocondrias, el aparato de Golgi, el nucléolo, el núcleo, los lisosomas, las vacuolas, y los centrosomas.
La materia es una forma de energía que posee substancia y masa, y ocupa espacio.
La materia está formada por minúsculos agregados de energía almacenada llamados partículas que se unen unas con otras para formar núcleos. Estos núcleos atraen y capturan a otras partículas, llamadas electrones, dentro de capas orbitales alrededor de ellos, para formar átomos.
Los átomos son la unidad estructural de toda forma de materia existente en el Universo conocido.
Un elemento es una substancia cuyos átomos constituyentes son de la misma clase; por ejemplo, carbono, hierro, zinc, calcio, hidrógeno, etc.
Cuando una substancia está formada por dos o más clases de átomos se denomina compuesto.
De los 92 elementos naturales conocidos, solamente 25 elementos forman parte de la materia viviente. De estos 25 elementos, el Carbono, el Oxígeno, el Hidrógeno y el Nitrógeno están presentes en el 96 % de las moléculas de la vida. Los elementos restantes llegan a formar parte del 4 % de la materia viva, siendo los más importantes el Fósforo, el Potasio, el Calcio y el Azufre.
Las moléculas que contienen Carbono se denominan Compuestos Orgánicos, por ejemplo, bióxido de carbono, el cual está formado por un átomo de Carbono y dos átomos de Oxígeno (CO2). Las moléculas que carecen de Carbono en su estructura, se denominan Compuestos Inorgánicos, por ejemplo, la molécula del agua, la cual está formada por un átomo de Oxígeno y dos de Hidrógeno (H2O).
Los principales compuestos orgánicos son:
a) Carbohidratos
b) Lípidos
c) Proteínas
d) Ácidos Nucleicos
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CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos, o hidratos de carbono, son compuestos orgánicos constituidos por átomos de Carbono, Oxígeno e Hidrógeno. También se les denomina Azúcares, Glucósidos o Sacáridos. La fórmula básica para los carbohidratos es CH2O.
Podemos distinguir tres clases de carbohidratos:
Monosacáridos (sacárido que no puede hidrolizarse para obtener sacáridos más pequeños), Disacáridos (dos moléculas de monosacáridos) y Polisacáridos (tres o más moléculas de monosacáridos).
Los Monosacáridos son glucósidos que no se pueden hidrolizar para obtener moléculas más pequeñas de glucósidos.
Los Disacáridos están formados por dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico, por ejemplo la Sacarosa (Glucosa+Fructosa), Maltosa (Glucosa+ Glucosa), la Lactosa (Glucosa+Galactosa), etc. (Presiona aquí para aquí ver fórmulas de Disacáridos).
Los Polisacáridos son polímeros de sacáridos, formados por tres o más monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos, como la Amilosa (almidón no ramificado), la cual está formada exclusivamente por moléculas alfa-Glucosa, la Amilopectina (almidón ramificado), el Glucógeno (polímero de almacenamiento en los animales), la Celulosa, etc.
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IMPORTANCIA DE LOS CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos, o Hidratos de Carbono, son muy necesarios para la vida, pues además de servir como fuente primaria de energía para los seres vivos, sirven para formar estructuras celulares. Por ejemplo, la celulosa es el componente principal de la pared celular en la célula vegetal.
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Nivel Celular: Los biosistemas están formados por células.
La célula es la unidad básica funcional y estructural de todo ser vivo.
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Las moléculas se organizan altamente para construir membranas estructurales (organelos), que poseen funciones específicas, según los materiales con que ellas están formadas.
Abramos un paréntesis para ampliar nuestro conocimiento sobre la organización y la reproducción de los Biosistemas (un Biosistema es cualquier ser viviente). Éste es un tópico de gran importancia para la Biología que Usted no encontrará fácilmente en sus libros de texto.
En Biología, como en la Física y la Química, existen axiomas o principios que no pueden ser violados en el Universo Conocido. Estos principios obedecen sobre todo a las Leyes de la Termodinámica, a las cuales están sujetos todos los seres vivientes terrestres.
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1. AXIOMA DE LA BIOGÉNESIS: En el tiempo presente, la vida sólo procede de la vida, la vida no puede originarse de materia inerte. Éste es el axioma biológico llamado Biogénesis.
Sin embargo, este axioma no es coherente si se toma en cuenta la nueva definición de vida a la luz de los nuevos descubrimientos. El axioma de la abiogénesis actual es así:
Los seres vivos sólo proceden de seres vivos preexistentes. Los seres vivos no pueden originarse de materia inerte dado que las condiciones para generarse en el planeta Tierra no se presentan en la actualidad
La continuidad de la vida depende de la transmisión de las características hereditarias, las cuales residen en las moléculas de los ácidos nucleicos.
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2. AXIOMA DE LA INTRANSFERENCIA DE LA VIDA: La vida no puede ser transferida, conferida o inducida a un sistema inerte, aún habiéndose tratado de un sistema anteriormente vivo, sino que solamente puede ser continuada a través de la secuencia reproductiva de un biosistema
La vida solamente puede ser continuada a través de la generación de nuevos individuos a partir de individuos preexistentes. Ésto se logra a través de la reproducción, en la cual la perpetuación de la estructura molecular juega el rol más importante.
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3. AXIOMA DE LA IRREPARABILIDAD DE LA VIDA: Una vez perturbado el estado térmico peculiar de un biosistema es imposible restaurarlo, ya sea por mecanismos naturales o por medio de los mecanismos tecnológicos conocidos. Ésto obedece a la irreversibilidad de la flecha del tiempo, a la cual está ligado todo incremento en la entropía global del Universo.
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EVOLUCIÓN: Los seres vivientes actúan recíprocamente con su ambiente. Cuando las condiciones del entorno cambian, los organismos tienen que adaptarse a esos cambios. La evolución se refiere a los cambios que deben ocurrir en los organismos para que ellos se adapten a los cambios del ambiente. Para que esos cambios en el organismo sean considerados en el contexto de la adaptación evolutiva, ellos deben ocurrir en el ADN. De esta manera, el cambio será heredado a la progenie.
Algunos autores incluyen más características de la vida, pero debido a que muchos biólogos consideran a los virus como seres vivos, sólo se describen los requisitos mínimos para la vida ya mencionados.
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Diferencias entre sistemas termodinámicos inertes y sistemas termodinámicos vivientes:
Los sistemas termodinámicos inertes capturan energía del ambiente, igual que lo hacen los sistemas termodinámicos vivientes; pero los sistemas termodinámicos inertes no demoran no-espontáneamente el aumento de los microestados hacia los cuales su energía interna puede dispersarse, mientras que los sistemas termodinámicos vivientes lo hacen no-espontáneamente.
Algunos sistemas termodinámicos inertes pueden continuar su estado cuántico al autoreplicarse, tal y como lo hacen los sistemas termodinámicos vivientes; pero los sistemas termodinámicos inertes no pueden preservar un número estable de microestados hacia los cuales su energía interna se difunde entre una y otra generación.
Algunas estructuras termodinámicas inertes pueden crecer, como lo hacen las estructuras termodinámicas vivas; pero los límites de su crecimiento no son tan precisos como los de los sistemas termodinámicos vivientes.
Algunas estructuras moleculares termodinámicas inertes evolucionan, como lo hacen las estructuras moleculares termodinámicas vivientes; pero los sistemas termodinámicos inertes evolucionan sólo a través de un número limitado de trayectorias, mientras que las estructuras moleculares termodinámicas vivientes son capaces de evolucionar a través de múltiples trayectorias. Esta diferencia obedece a la tendencia espontánea de todos los sistemas termodinámicos hacia el equilibrio. Los sistemas termodinámicos vivientes tienen más formas de eludir temporalmente esta tendencia que los sistemas termodinámicos inertes.
La definición tradicional de Biología es la siguiente:
Biología es la ciencia de la vida.
La Biología es una ciencia porque se basa en la observación de la naturaleza y la experimentación para explicar los fenómenos relacionados con la vida:
Biología es el estudio de la transferencia no-espontánea de la energía contenida en las partículas y de los sistemas cuasi-estables que la experimentan.
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En general, los biólogos sabemos que la vida es un fenómeno relacionado con acontecimientos fisicoquímicos generados por el estado de la energía del universo. Muchos científicos trabajan con el fenómeno físico de la Resonancia Electrodinámica.
La vida es una fluctuación energética, y que la vida es un estado transitorio concerniente a la posición y el movimiento de la energía ocasionada por una convergencia de ondas y partículas. No existe una definición directa de la vida, sino que a partir de observaciones directas e indirectas del estado térmico de las estructuras vivas, podemos decir lo siguiente:
La vida es la dilación en la difusión o dispersión espontánea de la energía interna de las biomoléculas hacia más microestados potenciales.
Esto es lo que estudia la Biología, además de estudiar a los sistemas cuasi-estables que experimentan tales modificaciones de estado de la energía.
Para ser considerados como vivientes, los seres requieren poseer ciertas características básicas:
CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS:
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ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL: Los seres vivientes presentan una organización estructural y funcional. Ambas, la estructura y la función, se encuentran estrechamente interrelacionadas.
Más que un orden superior o una complejidad excepcional, lo que distingue a los seres vivientes de los seres inertes es la organización de sus estructuras y el encadenamiento de sus funciones. Las moléculas se organizan para formar células, las células para formar tejidos, los tejidos órganos, los órganos aparatos y sistemas, y al conjunto de todos los sistemas forman un individuo. Existen individuos que están formados por una sola célula, por ejemplo las bacterias, los protistas y algunos hongos; sin embargo, aunque en cantidad y/o volumen un organismo multicelular posea más materia, no serán más complejos que un individuo unicelular.
Es posible encontrar seres inertes bien organizados, por lo que necesitamos incluir otras características contextuales a la vida. La observación del conjunto entero de características nos permite distinguir entre seres vivos y seres inertes. Las otras características que nos ayudarán son la Reproducción y la Evolución, aunque aún podamos encontrar seres inertes bien organizados que se reproducen y evolucionan, hay otra característica que un ser inerte no puede cubrir, la manipulación no-espontánea de la energía para continuar obteniéndola del ambiente
REPRODUCCIÓN: La reproducción es la característica vital que permite al individuo hacer copias de sí mismo. Aunque algunas moléculas orgánicas sean capaces de hacer duplicados de ellas mismas, ellas carecen de las otras características de los seres vivientes.
