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LAS CÉLULAS Y LA ORGANIZACIÓN DE LOS SERES
VIVOS.
Schleiden y Schwann
El descubrimiento de la célula. La teoría celular
La primera descripción de células data del año 1665, cuando Robert Hooke observó con un microscopio muy simple,
construido por él mismo, una fina laminilla de corcho. En ella vio unas celdillas geométricas similares a las de un panal de abejas, a
las que denominó células.
A partir de ese momento, otros científicos fueron comprobando la existen· cia de células en todos los tejidos y organismos que
observaban. En 167 Anthony van Leeuwenhoek observó y describió por primera vez células vivas y microorganismos en el agua, a
los que denominó «animálculos».
Durante el siglo XIX el perfeccionamiento de los microscopios y el descubrimiento de técnicas para cortar y teñir las muestras
permitieron estudiar las células con más detalle y observar estructuras en su interior.
El botánico Robert Brown, en 1831, descubrió en el interior de las células vegetales un corpúsculo al que denominó núcleo.
El médico Johannes Purkinje, en 1838, introdujo el término protoplasma para designar el líquido que llenaba la célula.
El botánico Matthias Schleiden, en 1838, y el zoólogo TheodOl Schwann, en 1839, afirmaron respectivamente que todos los tejidos
d~ plantas y animales están formados por células.
El médico Rudolf Virchow, en 1858, estableció que toda célula proviene de otra preexistente.
Con los postulados de Schleiden y Schwann se establecieron las bases de la teoría celular, aplicable a todos los seres vivos, y que
junto a los conocimientos actuales puede resumirse en los siguientes puntos:
La célula es la unidad estructural de los seres vivos. Todos los seres vivos estamos constituidos por una o más células.
La célula es la unidad funcional de los seres vivos. La célulá realiza todos los procesos metabólicos que le permiten vivir.
Toda célula procede de otra ya existente. Todas las células provienen de la división de otras.
.
La célula contiene el material genético de un ser vivo. A partir de él las características de una célula madre pasan a las células
hijas.
En 1899, a partir de sus estudios sobre el tejido nervioso, el científico Camilo Golgi defendía
que éste estaba formado por una intrincada red de células unidas entre sí. Esto suponía un
obstáculo para la generalización de la teoría celular, que en ese momento era aceptada para
todos los demás tipos celulares. Sin embargo, en ese mismo año, Santiago Ramón y Cajal
demostró la individualidad de las neuronas.
¿Por qué fueron importantes los trabajos de Ramón y Cajal en relación a la teoría cel u lar?
ESTRUCTURA CELULAR
Las células procariotas
.
Existe una enorme cantidad de seres vivos diferentes; no obstante, sus células tienen una estructura básica formada por:
La membrana plasmática. Es una cubierta muy fina y elástica, que rodea la célula y la independiza del exterior. Se encarga de regular la
entrada y la salida de nutrientes y de sustancias de desecho. También detecta estímulos del medio externo y comunica las células entre
sí.
El citoplasma. Es una sustancia gelatinosa que rellena la célula y contiene unas estructuras llamadas orgánulos. En el citoplasma y en
los orgánulos se realizan las reacciones químicas de las células, es decir, su metabolismo.
El ADN. Es una sustancia química compleja que contiene la información necesaria para la vida de la célula, denominada información
genética. Dependiendo de cómo se disponga, se distingue entre células procariotas y eucariotas.
El descubrimiento y conocimiento de los componentes de las células ha tenido que salvar la dificultad de su pequeño tamaño.
El perfeccionamiento del microscopio ha revelado a los científicos que el tamaño de las células es variable y depende de la función que
desempeñen en el organismo, y no del tamaño de este. Así, el óvulo de las aves es enorme, ya que contiene los nutrientes que alimentarán
al embrión en su desarrollo.
Los únicos seres vivos que tienen esta organización pertenecen al reino maneras (bacterias) y son organismos unicelulares.
Las células procariotas tienen una estructura muy simple:
Su ADN se encuentra disperso en el citoplasma, en una región llamada nucleoide.
En su citoplasma no se aprecian orgánulos, a excepción de los diminutos ribosomas.
Además de la membrana plasmática, tienen otra envoltura externa llamada pared celular. La membrana presenta unos pliegues,
llamados mesosomas, que desempeñan funciones específicas.
Ciertos tipos de bacterias pueden tener diversos apéndices, como los f1agelos (para el movimiento) o las fimbrias (para la fijación).
Las células eucariotas
Los organismos que tienen células eucariotas (animales, plantas, hongos y protoctistas) pueden ser unicelulares o pluricelulares.
Todas las células eucariotas tienen grandes similitudes: tienen núcleo, es decir, su material genético se encuentra rodeado por una doble
membrana; tienen citoesqueleto, que es una red de filamentos que da forma a la célula y permite su movimiento; y presentan una gran
variedad de orgánulos.
Algunos orgánulos, como los ribosomas, el retículo endoplasmáticQ, las mitocondrias, el aparato de Golgi, los Iisosomas y las vacuolas,
son comunes a todas las células eucariotas; otros orgánulos solo están presentes en ciertos tipos de células eucariotas. Por ejemplo:
Las células de los protozoos y de los animales tienen centriolos, y las de los hongos, las plantas y las algas, no.
Las células de las algas y las de las plantas tienen cloroplastos, y las de los animales, los hongos y los protozoos, no.
Las células de los hongos, de las algas y de las plantas tienen una pared celular; sin embargo, las de los animales y los protozoos
carecen de esta estructura.
I
En el siguiente cuadro se resumen las principales diferencias entre una célula eucariota animal y u.na célula eucariota vegetal.
M. plasmática Retículo endoplasmático
Lisosoma
Mitocondria
Vacuola
Las células animales tienen centriolos, que son una pareja de
pequeños cilindros que intervienen en la formación de estructuras
para el movimiento (cilios y flagelos) y en la división celular.
Además, sus vacuolas son de pequeño tamaño y carecen de
pared celular y de cloroplastos.
1.
2.
Las células vegetales tienen pared celular, que protege y da rigidez a
la célula; cloroplastos, que son estructuras membranosas que
contienen clorofila y permiten realizar la fotosíntesis; y grandes
vacuolas, para almacenar sustancias nutritivas y de desecho.
EI núcleo celular v su importancia
La estructura del núcleo
A lo largo del ciclo de vida de una célula, la estructura del núcleo pasa por dos estados: núcleo interfásico (o de células en crecimiento) y
núcleo en división. La forma de un núcleo interfásico suele ser esférica si la célula es redondeada, y alargada si es cilíndrica; y se sitúa
generalmente en el centro si es una célula animal, y algo desplazado si es una célula vegetal. En él se distinguen:
La membrana nuclear. Es una envoltura formada por dos membranas cuya superficie está cubierta por numerosos ribosomas. Contiene
unos poros, a través de los cuales el interior del núcleo se comunica con el citoplasma.
El nucleoplasma. Es el líquido nuclear.
El nucléolo. Es una estructura redondeada, que está coloreada de un color más oscuro que el resto. En él se fabrican los componentes
de los ribosomas.
La cromatina. Es el material nuclear formado por filamentos de ADN y proteínas. En ella se encuentra la información imprescindible para
el funcionamiento celular. Cuando el núcleo entra en división, la cromatina se condensa y forma los cromosomas, que estudiarás más
adelante.
La función de núcleo
En el siglo XIX, ROBERT BROWN comprobó que las células de los seres vivos que estudiaba tenían un núcleo o, incluso, en ocasiones,
varios, por lo que dedujo que este debería de cumplir alguna función importante.
Pero fue a principios del siglo xx cuando JOACHIM HAMMERLlNG demostró que el núcleo cumple dos funciones fundamentales:
contener la información hereditaria que determina las características de las células y las de los organismos de las que forman parte y
controlar las actividades celulares.
¿
LAS FUNCIONES CELULARES
La célula es la parte más pequeña de un ser vivo que realiza sus funciones vitales: nutrición, relación y reproducción.
NUTRICIÓN
La nutrición es el conjunto de procesos mediante los cuales las células intercambian materia y energía con el medio que las rodea.
El intercambio de materia
La membrana plasmática es una barrera selectiva que deja pasar ciertas sustancias y facilita o impide el paso de otras. Este paso se
realiza de forma diferente dependiendo del tipo de sustancia.
El intercambio de energía
Las sustancias transportadas al interior de la célula se transforman, a través de una serie de reacciones, en materias propias o se utilizan
para obtener energía que la célula emplea para realizar las funciones vitales. Este conjunto de reacciones constituye el metabolismo
celular, que puede ser de dos tipos:
Anabolismo. Es la fase constructora del metabolismo, en la cual se forman moléculas complejas a partir de moléculas sencillas. Estas
reacciones requieren el aporte de energía. Un ejemplo de proceso anabólico que se produce en las células autótrofas es la fotosíntesis .
Catabolismo. Es la fase destructora del metabolismo, en la cual las moléculas complejas se fragmentan y se transforman en otras más
sencillas. En este proceso se libera energía, que la célula emplea, por ejemplo, durante el anabolismo o para producir movimiento
celular. La respiración celular es un ejemplo de proceso catabólico que ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas.
Necesitas saber que ...
Las plantas absorben la energía luminosa procedente del Sol. Parte de esta energía se almacena en forma de energía química en los
enlaces de las moléculas, que la planta sintetiza durante el anabolismo.
Durante el catabolismo, los enlaces de las moléculas se rompen, liberándose, de esta forma, la energía química almacenada.
La glucosa es una de las moléculas que las células sintetizan durante el anabolismo. Busca información sobre qué tipos de enlaces tiene
esta molécula y relaciánalos con la energía química.
Puede ocurrir de tres formas:
Por difusión. Sucede cuando las sustancias son de pequeño tamaño, como el oxígeno, el dióxido de carbono y las sales minerales.
A través de proteínas. Cuando las sustancias son de mayor tamaño o tienen cargas (iones), las proteínas forman canales o bombas
(unas estructuras que "bombean» las sustancias) a través de los cuales pasan las moléculas.
Formando vesículas. Cuando las sustancias son muy grandes, la membrana se hunde y engloba la partícula, originando una vesícula
que pasa al citoplasma celular. Este proceso se denomina endocitosis, y el contrario, exocitosis.
El alimento se incorpora en la célula y se digiere en las vacuolas digestivas, que lo transforman en moléculas sencillas. Si las
partículas son sólidas, el proceso de incorporación se llama fa gocitosis, y si son líquidas, pinocitosis
Las mitocondrias, en presencia de oxígeno, utilizan la materia orgánica y la transforman en CO2 y agua, en un proceso que libera
energía: la respiración celular. El CO2 producido sale al exterior de la célula por difusión.
Parte de esta energía se utiliza en las reacciones del anabolismo para construir proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, etc.; otra parte se
emplea para realizar otras funciones celulares, por ejemplo, la reproducción, el desplazamiento, etc.
Las células autótrofas, como las de las plantas, toman agua, CO2 y sales minerales para fabricar la materia orgánica. Este proceso, la
fotosíntesis, libera oxígeno y utiliza la energía luminosa.
Una parte de la materia orgánica fabricada en los cloroplastos durante la fotosíntesis se utiliza para obtener energía mediante la
respiración celular. Durante el día, las células autótrofas producen más oxígeno por fotosíntesis del que consumen mediante la
respiración celular.
Esta energía que procede de la respiración se utiliza para construir moléculas complejas a partir de moléculas sencillas (anabolismo).
La función de relación
Llamamos estímulo a los cambios que provocan respuestas celulares. Los estímulos pueden ser químicos (como los cambios de
concentración de sal en el medio) y físicos (como el calor, el frío o los cambios de luminosidad).
Las respuestas a los estímulos pueden ser de diversa naturaleza:
Respuestas estáticas, en las que no se produce movimiento, por ejemplo, la secreción de sustancias .
Respuestas dinámicas, en las que la célula realiza movimientos como reacción al estímulo.
Los movimientos de las células
En los organismos unicelulares, el movimiento es una forma de responder a los estímulos para obtener alimento, huir de un peligro, etc.
Estos movimientos se denominan taxias. En los organismos pluricelulares, solo algunas células pueden realizar movimientos, que les
permiten, por ejemplo, agitar o capturar partículas.
El citoesqueleto está estrechamente relacionado con el movimiento: sus fibras y sus filamentos forman estructuras contráctiles en el
citoplasma celular o prolongaciones vibrátiles hacia el exterior, que permiten el movimiento de la célula.
La célula avanza al emitir unas
prolongaciones, los
seudópodos. Estos también
sirven para capturar partículas
(por ejemplo, para tomar el
alimento). La ameba de la
fotografía utiliza este
movimiento para atrapar
pequeños protozoos y algas
unicelulares.
La célula hace vibrar unos
filamentos que se encuentran
en su superficie. Estos
filamentos pueden ser cilios
(que son cortos y numerosos) o
flagelos (que son largos y poco
numerosos). El paramecio de la
imagen utiliza el movimiento de
sus cilios para acceder al
alimento.
La célula se ocorta y se alarga
gracias a unos filamentos
contráctiles muy finos que se
encuentran en su interior. En
el caso de la vorticella (en la
fotografía), el pedúnculo es el
que se contrae o se alarga
como respuesta a ciertos
estímulos.
Ciertas células de las plantas tienen
un movimiento especial llamado
movimiento de turgencia. Este
consiste en un cambio de volumen
celular que provoca, por ejemplo, la
apertura y el cierre de los estomas
de las hojas, y que algunas células
de las plantas carnívoras funcionen
como bisagras para cerrar las hojas
con las que atrapan a los insectos.
La función de la reproducción
La reproducción celular es la capacidad de una célula (llamada célula madre) de dividirse en dos o más células idénticas (células hija).
Durante este proceso, la célula madre crece en tamaño y el contenido celular se reparte entre las células hija; cada una recibe toda la
información hereditaria, para lo cual, el ADN se duplica antes de que la célula madre se divida.
La reproducción celular tiene lugar tanto en los organismos unicelulares como en los pluricelulares. Cuando un ser vivo pluricelular crece,
no quiere decir que aumente el tamaño de sus células, sino que aumenta su número, gracias a su capacidad reproductora.
La teoría celular
Las primeras interpretaciones sobre la vida tuvieron un componente mágico, que fue desterrado con el descubrimiento del microscopio, un
instrumento que permitió aumentar la capacidad de observación del ojo humano.
La vida comienza en la célula, y fue ANTOINE VAN LEEUWENHoEK, en el siglo XVII, el primer naturalista que observó y descubrió células
y organismos unicelulares, a los que llamó animálculos, con un sencillo microscopio fabricado por él.
En el mismo siglo, el investigador ROBERT HOOKE observó, en unas laminillas de corcho, formas parecidas a las celdillas de un panal de
abejas; aunque no llegó a comprender lo que eran, las llamó células. Este nombre se conservó cuando, años más tarde, los científicos
descubrieron estructuras semejantes en todos los seres vivos.
En el siglo XIX, el botánico MATIHIAS JACOB SCHLEIDEN estudió numerosas muestras de plantas con el microscopio, y llegó a la
conclusión de que las células eran las unidades elementales de las plantas. En el mismo siglo, el zoólogo THEoDoR SCHWANN, tras el
análisis de numerosas muestras de animales, concluyó que también eran la~ unidades elementales de estos organismos. Sus
descubrimientos sirvieron de base para elaborar la teoría celular.
Principios básicos de la teoría celular
La célula es la forma de vida más pequeña, que constituye la unidad elemental de los seres vivos.
Toda célula de un ser vivo procede de otra célula preexistente.
La información necesaria para la vida de las células se transmite de una generación a la siguiente.
Diatomeas (organismos protoctistas)
vistas con un microscopio óptico
Microscopio utilizado por Robert Hooke para el
estudio de las células.
Diatomeas vistas con un microscopio electrónico
La teoría de la generación espontánea
El principio de la teoría celular que afirma que toda célula procede siempre de otra anterior, no era tan evidente para los naturalistas de
épocas pasadas. Hasta el siglo XVIII se pensaba que los seres vivos se formaban a partir de materia inerte. Por ejemplo, en el siglo 11,
CLAUDIO ELlANO creía que las sardinas nacían del fango marino; en el siglo XVII, VAN HELMONT daba recetas para fabricar ratones a
partir de ropa usada, y Ross defendía que los gusanos se formaban espontáneamente en la carne muerta.
Esta forma de explicar el origen de los organismos es la teoría de la generación espontánea, que se aceptó hasta que, en el siglo XVII, REDI
demostró que los gusanos no surgen de la carne. La teoría de la generación espontánea fue rechazada por los experimentos de LÁZARO
SPALLANZANI, en el siglo XVIII, y por los de Louls PASTEUR, en el siglo XIX, pues demostraron que tampoco los microorganismos
aparecen espontáneamente a partir de la materia inerte.
Experimento de Redi
Experimento de Pasteur
Se coloca carne en dos tarros: uno tapado (experimento 1) y otro
destapado (experimento 2). Los gusanos solo aparecen en el tarro
destapado, debido a que las hembras de las moscas pueden
acceder a la carne y depositar sus huevos en ella. En el tarro
cerrado, los insectos no pueden realizar la puesta sobre la carne y,
por tanto, no aparecen gusanos. Esta experiencia demuestra que
los gusanos no surgen por generación espontánea.
Dos matraces con caldo de cultivo se hierven a fin de eliminar los
microbios que contienen. Se alarga el cuello de ambos recipientes
formando un tubito fino y curvado abierto por el extremo. Pasados
unos días se podrá comprobar que no hay crecimiento de bacterias,
ya que el caldo permanece transparente. Sin embargo, si se corta
uno de los matraces (experimento 2), el caldo se enturbia, señal del
crecimiento de las bacterias.
Los niveles de organización biológicos
Los seres vivos, según el modo en el que están organizadas sus células, se clasifican en organismos unicelulares y organismos
pluricelulares. Un paso intermedio entre los organismos unicelulares y los pluricelulares son las colonias.
los organismos unicelulares
Son los seres de organización más sencilla, ya que constan de una sola célula. Son de pequeño tamaño y pueden tener formas muy
variables.
En los organismos unicelulares, una sola célula realiza todas las funciones vitales. Cada célula debe asegurarse el acceso continuo
a los nutrientes para que su metabolismo le permita fabricar sus propias estructuras y obtener energía para realizar otras funciones
vitales, como el movimiento o la reproducción.
Las células de los seres unicelulares pueden ser procariotas (como las de las bacterias) o eucariotas (como las de las algas, las de
los protozoos y las de algunos hongos, por ejemplo, las levaduras).
Las colonias se forman por la división ordenada de una célula, quedando sus células hija unidas entre sí. Hay colonias en las que
cada una de las células desempeña todas las funciones de un ser vivo independiente.
En otras colonias, existe un principio de división del trabajo, ya que algunas células pueden diferenciarse y convertirse en células
reproductoras.
La observación minuciosa de fotografías al microscopio óptico y al
electrónico de organismos unicelulares nos revelan sus
características más destacables en relación con su forma y
tamaño; con su organización celular (núcleo, orgánulos celulares
... ); etc.
Estas imágenes corresponden a bacterias vistas con un microscopio electrónico. Como puedes ver, presentan organización
celular procariota, ya que no tienen núcleo; en su citoplasma no
se observan orgánulos y tienen pared celular. Se denominan
bacilos por su forma de bastoncillos. Su longitud oscila entre 1 y 3
micrómetros.
Observa en esta fotografía un paramecio, un protozoo ciliado. Se
trata de un organismo unicelular eucariota animal. FÍjate en su
gran núcleo y los numerosos cilios que lo rodean. Este organismo
carece de pared celular. Tiene forma de zapatilla y cuenta con
numerosos cilios que utiliza para el movimiento. Su tamaño varía
de 150 a 300 micrómetros.
los organismos Pluricelulares
Cuando un organismo consta de varias o de muchas células, se alcanza el nivel de organización pluricelular. A continuación, se exponen
algunas características de los organismos pluricelulares:
Están constituidos por muchas células que se han originado a partir de una misma célula inicial. Las células no funcionan aisladas, sino
que están interconectadas y coordinadas para que el organismo actúe como un todo.
Estos organismos presentan diferenciación celular; es decir, las células se han especializado para realizar una actividad determinada
(contraerse, defender al organismo ... ).
En la mayoría de los organismos pluricelulares, las células de un mismo tipo se agrupan en unas estructuras más complejas llamadas
tejidos, que, a su vez, forman órganos, que se estructuran en aparatos o sistemas.
Son seres pluricelulares los animales, las plantas y muchos hongos y algas; sin embargo, no todos presentan la misma complejidad en su
organización celular. Así, los hongos y las algas tienen una organización celular sin tejidos; los musgos tienen tejidos pero sin órganos; los
helechos y las espermatofitas se organizan en órganos pero sin aparatos; y otros, como muchos animales invertebrados y todos los
vertebrados, poseen aparatos y sistemas.
Recuerda….
Un tejido está formado por una agrupación de
células que tienen forma parecida y realizan la
misma función.
Un órgano es una estructura con una forma
concreta, constituida por varios tejidos asociados
para cumplir una función determinada.
Un aparato o sistema está formado por un conjunto
de órganos que colaboran en una actividad común.
3.
Ejercicios
1.- Explica las diferencias entre el núcleo de una levadura y el de una bacteria.
2.- Entre los siguientes términos hay uno que no corresponde a una célula procariota. Descúbrelo y explica el motivo: nucleoide,
ribosoma, flagelo, membrana plasmática, citoesqueleto, pared celular y citoplasma.
3.- ¿En qué se diferencia un organismo unicelular y una célula de un organismo pluricelular? ¿Y una colonia formada por miles de
células de un organismo pluricelular?
4.- ¿Qué principio de la teoría celular fue rechazado por los defensores de la teoría de la generación espontánea? ¿Cómo se
demostró experimentalmente la certeza de este principio?
5.- Observa la ilustración siguiente y contesta a las cuestiones planteadas.
a)
b)
¿Qué proceso indica cada uno de los números?
¿Qué tipo de nutrición crees que está representado?
Argumenta tu respuesta.
c)
d)
¿Cómo se efectúa el tránsito de las sustancias a través de la membrana?
¿De dónde crees que obtiene esta célula la energía para realizar sus funciones?
6. Observa atentamente la fotografía y responde a las cuestiones.
a)
b)
c)
¿Qué mecanismo utiliza este organismo para su desplazamiento?
¿Se trata de un organismo procariota o eucariota?
Indica los nombres de las estructuras numeradas.
4.
7.- Para averiguar cómo influye el núcleo en la actividad de los seres vivos, se realizaron tres experimentos con dos tipos de
microorganismos: Amoeba (protozoo) y Chlamydomonas (alga unicelular).
a)
b)
c)
En el primer experimento, se eliminó el núcleo de Amoeba y del alga unicelular y se observó cómo evolucionaban.
En el segundo experimento, se extrajo el núcleo de Amoeba y se le inyectó a otro individuo de la misma especie, a la que
previamente se le había extraído su núcleo.
En el tercer experimento, se eliminó el núcleo a un individuo de Chlamydomonas y se le transfirió el núcleo de la Amoeba.
¿Qué crees que sucedió en cada uno de los experimentos y qué conclusiones se podrían extraer?
8.Observa las siguientes ilustraciones y contesta a las cuestiones planteadas.
a) Indica, en cada caso, el grado de organización celular y el nivel de organización biológica que se observa en las ilustraciones.
b) Todas las células de la ilustración B realizan la misma función. ¿Sabrías decir por qué?
10 Al observar una muestra de agua estancada, un investigador vio unos extraños organismos unicelulares. Al estudiar su
nutrición, comprobó que eran muy versátiles, ya que, en presencia de luz, realizaban la fotosíntesis y, en su ausencia, absorbían la
materia orgánica del agua. Además, la estructura celular también resultaba atípica; es la que aparece en el siguiente dibujo
esquemático.
a) ¿Qué estructuras celulares típicas de una célula animal presenta este organismo?
b) ¿Qué estructuras celulares típicas de una célula vegetal están presentes?
c) ¿A qué reino crees que pertenece este organismo?
d) Realiza un esquema en el que expliques cómo realiza la nutrición en presencia de luz.
e) Realiza un esquema en el que expliques cómo realiza la nutrición en ausencia de luz.
f) ¿Para qué crees que utiliza este organismo el flagelo?
11.- Identifica las siguientes microfotografías.
Dibuja o calca cada una de las cuatro microfotografías electrónicas en tu cuaderno.
Define de qué parte de la célula se trata e indica con líneas (o flechas) la situación de las estructuras que la forman, en
cada una de ellas.
¿-Cuál de ellas es forzosamente parte de una célula animal? ¿' Y vegetal?