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EL REINO ANIMAL INTRODUCCIÓN Todos los seres vivos se caracterizan por realizar tres funciones, que son Nutrición, Relación y Reproducción. La Nutrición consiste en el intercambio de materia entre el animal y el medio en que se encuentra. La Relación es la elaboración de respuestas por parte del animal frente a un estímulo. La Reproducción consiste en la formación de nuevos individuos de la misma especie. Los animales han desarrollado complejos aparatos y sistemas, especializados en llevar a cabo estas tres funciones. En los diferentes tipos de animales observamos estructuras distintas. Si las comparamos unas con otras apreciaremos que sirven para los mismos objetivos. Cada paso evolutivo supone una mayor complejidad en cada estructura, lo que ha permitido una mayor adaptación al hábitat que ocupa el animal. 1 I LA NUTRICIÓN La nutrición es un proceso complejo, en el cual el ser vivo toma materia del medio y la utiliza para su propio beneficio, transformando esta materia y expulsando todo aquello que no aprovecha. Los animales incorporan materia orgánica, además de inorgánica, siendo su nutrición heterótrofa. Utilizan la materia orgánica para crear estructuras corporales (crecer), reparar otras ya formadas y para obtener energía. Una vez metabolizadas y degradadas las sustancias adquiridas, son expulsadas al exterior en forma de residuos. En este complejo proceso intervienen los aparatos digestivo, respiratorio, circulatorio y excretor. En los organismos más sencillos puede faltar alguno de estos aparatos. EL APARATO DIGESTIVO En el proceso de nutrición, el aparato digestivo realiza todas las funciones encaminadas a la captura, ingestión, digestión, absorción y expulsión de los residuos no absorbidos. Para ello, el animal cuenta con una serie de órganos propios del aparato digestivo y otros accesorios que ayudan a completar su función. El modelo de aparato digestivo varía según el tipo de animal que estudiemos. Sin embargo, se pueden reducir a dos modelos básicos que son el de forma de saco y el de forma de tubo. En ocasiones, como en animales endoparásitos, puede no existir aparato digestivo. Saco Es una estructura poco evolucionada en la que el orificio de entrada sirve también como vía de salida. Aparece en Poríferos, Cnidarios y Ctenóforos. Esta estructura aparece como deformación evolutiva de una estructura en forma de tubo, como es en el caso de muchos Equinodermos. Tubo Consiste en una estructura más o menos alargada en la que existe un orificio de entrada, llamado boca, y un orificio de salida, llamado ano. El alimento recorre el tubo en un único sentido, desde la boca hasta el ano. Pueden aparecer glándulas asociadas, cuya misión consiste en facilitar la digestión del alimento. FASES DEL PROCESO DIGESTIVO El aparato digestivo debe realizar una serie de actividades. Todas ellas están encaminadas a la 2 adquisición, procesamiento e incorporación de las partículas alimenticias en el cuerpo, así como de la expulsión de todo aquello que no ha sido utilizado. Las fases del proceso digestivo son ingestión, digestión, absorción y egestión. Ingestión La adquisición del alimento se realiza por órganos especializados. La ingestión es la introducción del alimento en el aparato digestivo y se realiza a través de la boca. Para conseguir el alimento, existen diversos modelos de nutrición. Básicamente se ajustan a dos tipos, que son la nutrición macrofágica y la nutrición microfágica. La macrofagia se produce en los animales que realizan de forma activa la selección y la captura del alimento. Es típica de depredadores y carroñeros. Para llevar a cabo este tipo de alimentación se necesita algún tipo de estructura especial, como puede ser la existencia de distintos tipos de dientes o de pico, poseer veneno, zarpas, garras, musculatura potente, adaptación a la carrera, etc. La microfagia es practicada por los animales que no seleccionan el alimento, como son aquellos que se nutren de líquidos, animales filtradores, sedimentívoros o micrófagos de superficie. Para este tipo de alimentación también se necesitan estructuras adecuadas, como piezas bucales especiales para la succión, espiritrompa de mariposas o redes filtradoras que tamizan el medio donde viven. Animales herbívoros de gran tamaño poseen poderosos dientes que aplastan la abundante cantidad de masa vegetal. Pueden tener, incluso, modificaciones en su aparato digestivo para aprovechar mejor ese tipo de alimento, como en el caso de los rumiantes. DIGESTIÓN A lo largo de este proceso se transforma el alimento en materia que el organismo sea capaz de absorber. La digestión del alimento se realiza por procedimientos mecánicos y químicos. En el curso de este proceso se separa la materia asimilable, como glucosa, de materia no asimilable, por ejemplo pelos o uñas. El modelo más complejo de digestión se puede encontrar en los vertebrados superiores, tal es el caso de la digestión en Mamíferos. Existen tres tipos de digestión: La digestión intracelular. Consiste en digerir los nutrientes dentro de la célula, utilizando las enzimas digestivas de los lisosomas. Éste es el único sistema del que disponen animales poco evolucionados para digerir su alimento. La digestión mixta. Comienza en la cavidad gastrovascular, segregando enzimas proteolíticas. Posteriormente, las sustancias nutritivas son atrapadas por las células que revisten la cavidad, mediante vesículas de endocitosis. Las macromoléculas fagocitadas sufren la digestión intracelular. Las partículas no digeridas se expulsan a través de la boca, único orificio existente. La digestión extracelular. Es realizada por todos los vertebrados y por algunos invertebrados. Se produce en el exterior de las células, dentro del tubo digestivo. Este proceso supone la transformación del alimento en moléculas asimilables por el organismo; transformación que se consigue mediante una digestión mecánica y una digestión enzimática. Digestión mecánica: se tritura el alimento, fragmentándolo para que pueda ser atacado más fácilmente por enzimas digestivas. Algunos animales poseen pinzas que utilizan en el exterior del tubo digestivo, otros tienen pico o dientes. Algunos presentan un 3 estómago musculoso, triturador, que comprime el alimento, machacándolo con estructuras endurecidas o, incluso, con piedras que ha tragado con antelación. Digestión enzimática: el alimento previamente machacado sufre el ataque de enzimas específicas. Su efecto produce moléculas más pequeñas, fácilmente asimilables. Digestión en mamíferos La digestión en Mamíferos se realiza en tres zonas diferenciadas del tubo digestivo, en la boca, en el estómago y en el intestino. Boca: en la cavidad bucal el alimento se transforma en el bolo alimenticio, mediante la masticación y la saliva. La masticación es una digestión mecánica en la que el alimento se reduce a fragmentos pequeños por acción de los dientes. La saliva es una secreción de las glándulas salivales. Contiene enzimas digestivas que actúan sobre los glúcidos. El alimento es mezclado con la saliva mediante los movimientos de la lengua. La deglución consiste en llevar el bolo alimenticio hacia el esófago. Estómago: en la digestión gástrica el bolo alimenticio se transforma en quimo. Los jugos gástricos están formados por mucina, ácido clorhídrico y pepsinógeno. La mucina protege la pared gástrica. El ácido clorhídrico evita el desarrollo de bacterias y actúa sobre el pepsinógeno transformándolo en pepsina, que es una enzima selectiva para las proteínas del bolo alimenticio. Las proteínas son transformadas en péptidos más pequeños. Las demás moléculas orgánicas no son atacadas por ningún tipo de enzima en el estómago. Intestino: En el duodeno del intestino se produce la digestión total de los alimentos. El quimo es transformado en quilo en los espacios de las vellosidades intestinales, mediante los jugos intestinales, jugos pancreáticos y bilis. Una vez formado el quilo acaba la digestión y empieza la siguiente fase, la absorción ABSORCIÓN Y EGESTIÓN Absorción En esta fase, las moléculas digeridas atraviesan la pared del tubo digestivo y se incorporan al metabolismo del animal. La absorción se produce en el intestino. 4 Para favorecer la mayor absorción posible los animales poseen distintos tipos de estructuras que aumentan la superficie del intestino. Los vertebrados tienen un sistema más complejo, utilizando vías de distribución distintas para los diferentes tipos de nutrientes. Las adaptaciones más características son: Aumento de la longitud el intestino: los animales herbívoros poseen un intestino mucho más largo que el intestino de carnívoros, debido a que la alimentación de herbívoros es energéticamente más pobre. Por ello, necesita mayor superficie de absorción. Ciegos intestinales: son tubos que surgen del tubo principal y que no tienen orificio de salida. En ellos se produce una lenta absorción de los nutrientes. Existencia de vellosidades y microvellosidades: Las vellosidades son repliegues de la pared del intestino. Las microvellosidades son repliegues de la membrana plasmática de las células epiteliales del intestino. Ambas estructuras aumentan la superficie de absorción. Válvula espiral: los elasmobranquios (tiburones) son carnívoros que tienen un intestino muy corto. Para aprovechar al máximo la capacidad energética de su alimento, principalmente proteico, deben retardar el paso del alimento a través del intestino. Disponen de una estructura en el interior del intestino, en forma de escalera de caracol, que obliga al quimo a reducir su velocidad de circulación, permitiendo al animal una mejor digestión y absorción. El paso de las moléculas al interior celular se realiza mediante difusión de los nutrientes sin gasto de energía o mediante un transporte activo, con gasto energético. 5 Necesidad de transportador de membrana Tipo de transporte Gasto de energía Difusión simple No No Difusión facilitada Sí No Transporte activo Sí Sí Tipos de moléculas Fosfolípidos, ácidos grasos, colesterol, glicerina Fructosa, pentosas... Glucosa, galactosa, aminoácidos, bases nitrogenadas, iones Absorción en vertebrados En los vertebrados, la mayor parte de los componentes absorbidos pasa a la sangre, por un circuito que conecta el riego intestinal con el hígado. El circuito sanguíneo se llama sistema portahepático. Sin embargo, los lípidos viajan por el sistema linfático para no obstruir los vasos sanguíneos. Esto es debido a que los lípidos son apolares y no se mezclan con el agua del plasma sanguíneo. Las moléculas orgánicas son absorbidas en el tramo inicial del intestino. El agua, las sales minerales y vitaminas producidas por la flora intestinal son absorbidas en los tramos posteriores del intestino, principalmente en el intestino grueso. En este tramo intestinal, la pasta semilíquida que circula por el tubo digestivo se transforma en las heces fecales, reduciendo notablemente la cantidad de agua. Egestión Consiste en la expulsión de las sustancias que el organismo no ha absorbido. Esta expulsión se produce por: Defecación: expulsión de heces compactas que se eliminan a través del ano y que contienen poca cantidad de agua. Un ejemplo son los excrementos de mamíferos. Deyección: expulsión de heces líquidas, producidas en el intestino grueso, a través de la cloaca. Un ejemplo son las deyecciones de las aves. Regurgitación: las aves rapaces suelen tragar sus presas enteras, con pelos, huesos, uñas. Son estructuras que no pueden digerir, y por tanto, tampoco absorber. Estas estructuras pueden producir escoriaciones en el tubo digestivo, ya que son duras y generalmente presentan zonas agudas o cortantes. Las rapaces, habitualmente las nocturnas, expulsan estas estructuras inservibles a través de su boca expulsando egagrópilas. LA RESPIRACIÓN Los animales necesitamos energía para poder realizar todas nuestras actividades. Esta energía la obtenemos a partir de la oxidación de moléculas orgánicas en la respiración celular. Este proceso se realiza en las mitocondrias de nuestras células y necesita oxígeno para llevarse a 6 cabo. A la vez, se desprende dióxido de carbono por la oxidación de esas moléculas orgánicas. Estos dos gases los intercambiamos con el medio que nos rodea. La respiración se divide en tres fases: Respiración fisiológica: que consiste en captar oxígeno del exterior y expulsar dióxido de carbono. Intercambio de gases: el oxígeno captado del exterior difunde en el líquido interno que baña las células del animal y el dióxido de carbono sale al medio externo. Respiración celular o mitocondrial: oxidación de materia orgánica utilizando oxígeno y liberando dióxido de carbono. Para realizar el intercambio gaseoso es necesario que la estructura implicada cumpla las siguientes condiciones: Las paredes del órgano donde se produce el intercambio de gases deben ser delgadas. La superficie debe estar húmeda, ya que el agua facilita la difusión. La zona adyacente debe estar muy irrigada, es decir, con mucho líquido del medio interno del animal, de forma que los gases puedan ser captados o expulsados rápidamente. TIPOS DE SISTEMAS DE RESPIRACIÓN En los animales se dan distintos sistemas de respiración. Estos sistemas presentan distintos grados de complejidad, dependiendo del tipo de animal, de sus necesidades energéticas y del medio en el que vive. Los animales diblásticos, como las esponjas, o las medusas, no desarrollan estructura respiratoria alguna, debido a que son animales sencillos, que realizan el intercambio de gases de todas sus células con el medio acuático que las rodea. En animales triblásticos aumenta el número de capas celulares y aumentan los problemas para realizar el intercambio de gases con todas las células del cuerpo. Sin embargo, la mayoría de los gusanos planos son capaces de efectuar el intercambio de gases sin necesidad de un sistema específico de respiración, debido al escaso número de células que componen su cuerpo. La mayor parte de los animales están constituidos por un número tan elevado de células que resulta imposible que todas ellas puedan realizar el intercambio gaseoso con el medio que los rodea. Por ello, es necesaria la presencia de un sistema respiratorio que capture el oxígeno suficiente para todas las células del cuerpo, recoja el dióxido de carbono liberado y se expulse fuera del animal. 7 Los tipos de sistemas respiratorios que podemos encontrar entre los distintos animales son la respiración cutánea, branquial, traqueal y pulmonar. Respiración cutánea La estructura respiratoria es el tegumento corporal. La piel es la encargada de realizar el intercambio gaseoso. Para ello, la piel debe ser muy fina, estar húmeda y muy irrigada por el medio interno del animal. Encontramos este sistema respiratorio en animales como los anélidos, algunos moluscos, y anfibios; incluso, en ciertos equinodermos. En moluscos y anfibios es necesario complementar su función con otros sistemas respiratorios. Respiración branquial Las estructuras respiratorias son las branquias, en forma de repliegues tegumentarios o estructuras muy finas que están muy irrigadas y envueltas por agua. Pueden ser branquias externas, poco evolucionadas, o internas, más evolucionadas, ya que al encontrarse en el interior están más protegidas. Sin embargo, necesitan un mecanismo para producir movimiento en el agua que las baña. Las branquias aparecen en muchos animales de vida acuática, como anélidos, moluscos, crustáceos, peces y anfibios. Además se encuentran en crustáceos terrestres, como las cochinillas de humedad y las pulgas de playa. Los peces sujetan y extienden las branquias mediante arcos branquiales. En tiburones y rayas aparecen cinco arcos (seis en los menos evolucionados) y cuatro arcos en los peces óseos. Una estructura ósea llamada opérculo, protege estos arcos branquiales. El agua circula desde la boca a las hendiduras branquiales, presionada por la lengua y creando una corriente que favorece el intercambio gaseoso entre la branquia y el agua.Respiración traqueal Los insectos, miriápodos y, en menor medida, en los arácnidos con estructuras semejantes denominadas pulmones en libro, utilizan un sistema de tubos, llamados tráqueas, que conectan las células de todo el cuerpo con el aire del exterior del animal. Este sistema respiratorio prescinde del sistema circulatorio para transportar el oxígeno a las células. Estos animales tienen un sistema circulatorio abierto, en el que la sangre (hemolinfa) circula demasiado lenta para aportar el suficiente oxígeno como para elaborar 8 respuestas y movimientos tan rápidos como los producidos por estos seres. Los tubos se abren al exterior a través de unos orificios que se pueden cerrar mediante espiráculos. Respiración pulmonar Los pulmones son las estructuras respiratorias, que conectan con el exterior mediante una serie de tubos. Son repliegues que se desarrollan en los vertebrados terrestres a partir del tubo digestivo. Existen dos tipos de pulmones. Unos tienen forma de saco: el pulmón sacular, presente en anfibios, reptiles y mamíferos muestra distintos grados de evolución. Otros, con forma tubular, conectan con unos sacos aéreos que se extienden por otras zonas del cuerpo y que se llenan de aire, disminuyendo la densidad del animal. Se encuentran en las aves. En anfibios, el interior es casi liso, sin repliegues, por lo que la superficie de intercambio gaseoso es demasiado reducida. Esto implica la necesidad de otros sistemas respiratorios para satisfacer las necesidades de oxígeno de estos animales. La respiración cutánea y el intercambio de gases a nivel bucofaríngeo en las ranas constituye un aporte de oxígeno vital, pues el intercambio pulmonar es insuficiente. La respiración pulmonar sólo se desarrolla en algunos adultos, puesto que en forma de renacuajo, la respiración es branquial. Este sistema puede perdurar, incluso, en adultos como sucede en las cecilias y tritones. En reptiles, los pulmones presentan repliegues, con lo que la superficie de intercambio de gases aumenta respecto a los anfibios. Hay que tener en cuenta que los reptiles poseen una piel gruesa seca, con escamas e incapaz de producir intercambio de gases con el exterior. Unos pulmones con más superficie interna permitieron la colonización, por parte de estos animales, de la tierra seca , sin la dependencia del agua. Las serpientes poseen un único pulmón desarrollado, para evitar excesiva compresión en un cuerpo tan estrecho. Las tortugas acuáticas manifiestan zonas de intercambio de gases con el agua en la zona rectal, en el tubo digestivo. Además, poseen modificaciones en su sistema circulatorio, que les permiten aguantar mucho tiempo bajo el agua sin necesidad de capturar oxígeno de la superficie. En mamíferos, los pulmones muestran gran desarrollo de su superficie interna. Una serie de tubos ramificados transporta el aire a los sacos alveolares, compuestos por pequeñas cámaras, llamadas alveolos, que son los lugares donde se produce el intercambio gaseoso con la sangre. En aves, los pulmones reciben el aire del exterior mediante unos tubos ramificados. Además, los pulmones reciben el aporte de oxígeno de los sacos aéreos, que han sido llenados de aire cuando el animal ha inspirado. Como el aire atraviesa los pulmones y llega a estos sacos, se dice que estos pulmones tienen estructura tubular, con entrada y salida. Este tipo de respiración es muy eficaz ya que el animal, al coger el aire, llena los pulmones y los sacos aéreos. Los pulmones se pueden vaciar en la siguiente espiración y volver a llenarse con el aire de los sacos sin necesidad de usar para respirar los músculos del vuelo, que son los 9 mismos que sirven para inspirar. Además, el animal reduce su densidad al llenar su interior de aire. Hay que tener en cuenta que los sacos aéreos, dependiendo de las especies, se introducen RESPIRACIÓN EN HUMANOS El aparato respiratorio en humanos comienza en las fosas nasales. En ellas se aloja la pituitaria roja, muy irrigada, que calienta el aire y lo humedece. La pituitaria amarilla detecta la presencia en el aire de distintos tipos de moléculas y transmite esta información a los lóbulos olfatorios, que informarán de ello al cerebro. El aire humedecido y limpio pasa por la faringe, que es una zona compartida con el aparato digestivo. En esta zona se encuentran las amígdalas, que son ganglios linfáticos con función defensiva, captando microorganismos para poner en marcha una respuesta inmune (defensiva) si fuera necesario. El aire entra en la laringe a través de la glotis. La epíglotis es la estructura que tapa la glotis, con la finalidad de que no entre el alimento hacia el aparato respiratorio. En la laringe aparecen las cuerdas vocales, que son repliegues conjuntivos que vibran, emitiendo un tono. El siguiente tramo es la tráquea, que es un tubo largo, de unos 12 cm, y ancho, de unos 2 cm. La tráquea debe permanecer abierta para asegurar el paso del aire. Para ello, unos cartílagos semicirculares le dan la resistencia suficiente como para evitar su cierre, debido a la presión que ejercen los tejidos adyacentes. La tráquea está bañada por una capa mucosa que capta partículas de polvo y tapizada por un epitelio ciliado que moviliza esta mucosidad hacia la faringe. 10 La tráquea se divide en bronquios. Son dos tubos que envían el aire a los pulmones. Están reforzados por cartílagos circulares. Los bronquios, ya dentro de los pulmones, se ramifican en bronquiolos. Los pulmones son estructuras esponjosas, de color rosado. El pulmón derecho está constituido por tres lóbulos pulmonares. El pulmón izquierdo es más estrecho y tiene dos lóbulos. Por ello, el bronquio derecho se ramifica en tres bronquiolos primarios y el bronquio izquierdo se ramifica en dos bronquiolos primarios. Los bronquiolos primarios, a su vez, se ramifican en tubos secundarios y terciarios, que dirigen el aire hacia los sacos alveolares, compuestos de alveolos, que son las zonas donde se produce el intercambio gaseoso con la sangre. Fisiología de la respiración La ventilación pulmonar, o respiración fisiológica, se produce por dos movimientos, llamados inspiración y espiración. La inspiración consiste en la entrada de aire en los pulmones. La espiración es la expulsión del aire al exterior. La respiración puede ser relajada o forzada. La respiración relajada se realiza cuando el individuo lleva a cabo actividades de poco gasto energético o en reposo. El diafragma se contrae, bajando hacia el abdomen. Aumenta el volumen de la cavidad torácica, con lo que los pulmones se expanden y succionan aire del exterior. En este momento ya se ha producido la inspiración. Cuando el diafragma se relaja, los pulmones son presionados y expulsan el aire que contienen, desde abajo. Entonces se produce la espiración. La respiración forzada se realiza cuando el individuo lleva a cabo una actividad energética fuerte. Los músculos torácicos elevan las costillas hacia delante. Con ello, aumenta el volumen de la cavidad torácica mucho más que en la respiración relajada. Se produce la inspiración. La espiración puede consistir, simplemente en relajar los músculos intercostales, con lo que el peso de las costillas vacía los pulmones. Puede ayudar la presión de músculos torácicos internos que presionan las costillas hacia los pulmones y la fuerza de los músculos abdominales, que presionan el abdomen hacia dentro, con lo que los pulmones se vacían desde abajo. Esta espiración se realiza al inflar un globo o tocar la trompeta. El control de la respiración se efectúa en el bulbo raquídeo, activando o relajando los músculos que intervienen en la respiración. La variación de concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre son los estímulos químicos que necesita el bulbo raquídeo para controlar la velocidad e intensidad de la respiración. SISTEMAS DE TRANSPORTE Los nutrientes adquiridos para el funcionamiento del metabolismo del animal se distribuyen entre todas las células de su cuerpo. Los productos de desecho se expulsan al exterior. Los animales con estructura sencilla no tienen necesidad de sistemas de transporte, ya que las células pueden adquirir o expulsar sustancias del medio en el que vive. Sin embargo, los animales con gran complejidad interior necesitan un medio circulante que sirva para distribuir los nutrientes y recoger los residuos metabólicos. En muchos casos es también necesaria la 11 presencia de una bomba impulsora que movilice ese medio circulante a través de todo el cuerpo. El medio interno El medio interno es el líquido que transporta las sustancias nutritivas. Su composición y su color varía. Puede contener células en muchos casos. Los distintos medios internos que se pueden encontrar en animales son hidrolinfa, hemolinfa, sangre y linfa. Hidrolinfa: es el medio interno de Equinodermos. Su composición es muy similar a la del agua de mar. Transporta nutrientes y sustancias de desecho pero carece de pigmentos transportadores de oxígeno. Circula a través de un sistema de tubos que conectan con unas estructuras llamadas pies ambulacrales. Estas estructuras sirven para dar movimiento a las estrellas de mar y los erizos. El sistema ambulacral funciona por presión hidrostática. El pie ambulacral se pega al sustrato cuando disminuye su presión hidrostática interna, debido a la forma que adquiere, semejante a una ventosa. Existen unas ampollas ambulacrales que, cuando se contraen, expulsan la hidrolinfa de su interior y va a los pies ambulacrales. Por este motivo aumenta la presión hidrostática del pie ambulacral y se despega del sustrato en el que está pegado. El sistema ambulacral, mediante reparto de esta hidrolinfa a distintas zonas, permite el desplazamiento del animal. Hemolinfa: se encuentra en moluscos y artrópodos. En los moluscos y crustáceos aparece un pigmento transportador de oxígeno. En arácnidos, miriápodos e insectos no existe la necesidad de transportar el oxígeno por el medio interno ya que su sistema de respiración traqueal no lo necesita, puesto que las tráqueas llevan directamente el aire a las células del cuerpo. Sangre: Anélidos y Vertebrados tienen un medio interno con pigmentos transportadores de oxígeno, que le proporciona un color rojo. En vertebrados el pigmento transportador se llama hemoglobina. La sangre en vertebrados es especialmente compleja, con gran cantidad de funciones y células. Las células presentes son eritrocitos, leucocitos y trombocitos. Linfa: está presente en Vertebrados. Carece de pigmentos transportadores de oxígeno. Está formada por células de tipo leucocitos. TIPOS DE SISTEMAS DE TRANSPORTE 12 Los Poríferos y Cnidarios pueden utilizan su cavidad interior como sistema de distribución. Además, las células exteriores intercambian sustancias con el agua. Los Platelmintos transportan las sustancias por difusión, de célula a célula. Los animales con sistema de transporte interno utilizan un líquido circulante que puede transitar por un sistema circulatorio abierto o cerrado. Destaca la complejidad del sistema circulatorio en los vertebrados. Sistema circulatorio abierto Lo observamos en artrópodos y moluscos (excepto cefalópodos). El medio circulante no transita siempre encauzado. Existen zonas entre los tejidos donde se acumula el líquido, llamado hemolinfa,. El conjunto de zonas donde se extravasa la hemolinfa se denomina hemocele. El corazón impulsor de la hemolinfa está abierto al hemocele por unos orificios denominados ostiolos. Este corazón presenta una forma tubular y se dispone en la zona dorsal del animal. La hemolinfa entra por succión y es expulsada hacia delante a través de una arteria que se ramifica y desemboca en el hemocele. La linfa se mueve lentamente, por lo que los animales que dependen de este sistema para abastecer de oxígeno a las células, no pueden tener movimientos rápidos. Los moluscos presentan unos corazones accesorios, formados por vasos sanguíneos con capacidad contráctil. Sistema circulatorio cerrado: en este modelo de sistema circulatorio el medio circulante, llamado sangre, pasa siempre a través de vasos sanguíneos. Se presenta en anélidos, cefalópodos y vertebrados. En anélidos el corazón es tubular y se encuentra en la zona dorsal del animal. En vertebrados, el sistema circulatorio alcanza diversos grados de complejidad, según el nivel de evolución que presente el animal. El sistema circulatorio puede ser simple o doble, con una circulación incompleta o completa. Circulación simple: aparece en peces. En esta circulación la sangre sólo pasa una vez por el corazón en cada vuelta. El corazón es tubular y muestra un seno venoso que recoge la sangre, una aurícula y un ventrículo impulsor. La sangre viene de las venas del cuerpo cargada de CO2 hacia el corazón. El ventrículo impulsa la sangre hacia las branquias, donde se oxigena y circula por arterias para repartirse por el cuerpo. El retorno de la sangre al corazón se realiza mediante venas. Circulación doble: la sangre pasa dos veces por el corazón por cada vuelta del circuito. Se encuentra en vertebrados terrestres. El recorrido se realiza desde el corazón, saliendo por el ventrículo izquierdo, a los tejidos del cuerpo, para volver a ingresar en el corazón por la aurícula derecha. Esta circulación se denomina circulación mayor. El circuito 13 continúa desde el ventrículo derecho a los pulmones, para volver otra vez al corazón por la aurícula izquierda. Esta circulación es la circulación menor. Este segundo circuito puede tener una oxigenación incompleta de sangre, en anfibios y reptiles, o completa en aves y mamíferos. Circulación en anfibios: el corazón en renacuajos funciona como el corazón de un pez. En anfibios adultos está tabicado, formando tres cavidades, dos aurículas y un ventrículo. La sangre proviene de los tejidos llena de CO2 y entra en el corazón por la aurícula derecha. Pasa al ventrículo y se expulsa fuera del corazón. La sangre que va a los pulmones se oxigena y vuelve por las arterias pulmonares de nuevo al corazón, entrando por la aurícula izquierda. En el único ventrículo se produce la mezcla de sangre oxigenada y carboxilada, por lo que el sistema es poco eficaz, al bombear sangre oxigenada a los pulmones y sangre carboxilada a las células del cuerpo. Reptiles: tienen también una circulación doble e incompleta, semejante a los anfibios. Sin embargo, el ventrículo está parcialmente dividido, con lo que la mezcla de sangre oxigenada y carboxilada es menor y la eficacia del corazón es mayor. Los cocodrilos poseen un corazón con ventrículos divididos por un tabique completo, igual que aves y mamíferos. 14 Aves y Mamíferos: Poseen una circulación doble y completa. La sangre entra carboxilada en el corazón por la aurícula derecha y atraviesa la válvula tricúspide para entrar en el ventrículo derecho. Emerge del corazón por las arterias pulmonares hacia los pulmones, donde se oxigena y vuelve al corazón por las venas pulmonares. Entra por la aurícula izquierda y atraviesa la válvula mitral para entrar en el ventrículo izquierdo. Sale del corazón hacia los tejidos corporales transportando el oxígeno necesario para el funcionamiento aerobio de las células. El dióxido de carbono es vertido a la sangre y vuelve por las venas hacia el corazón, para entrar de nuevo, por la aurícula derecha. EL APARATO CIRCULATORIO EN HUMANOS Los seres humanos tenemos un sistema circulatorio cerrado, con un corazón situado en la cavidad torácica, entre los pulmones, y protegido por las costillas. Consta de dos aurículas y dos ventrículos. El corazón late unas 72 veces por minuto, aunque esta velocidad varía según la actividad que se esté desarrollando y según el tipo de individuo. El ritmo cardiaco lo marca un marcapasos formado por: Nódulo senoauricular: produce el impulso inicial del ritmo cardiaco. Se encuentra en la pared de la aurícula derecha. Sus fibras tienen una capacidad de excitación mayor que las del resto del corazón. Por ello controlan el ritmo cardiaco. Fibras internodales: son fibras que unen un nódulo con el siguiente y expanden el impulso generado por el seno auricular. Nódulo auriculoventricular: lugar donde el impulso se retrasa antes de excitar la contracción ventricular (0,11s). Se encuentra en el septo que separa la aurícula derecha del ventrículo derecho. Provoca que los ventrículos se contraigan poco después de haberse contraído las aurículas. Fascículo de His y fibras de Purkinje: son fibras que se encuentran en el septo ventricular y estimulan la contracción conjunta de todas las células musculares que forman los ventrículos. Movimiento cardiaco El movimiento cardiaco consiste en una fase de sístole y una fase de diástole. La sístole es la contracción y la diástole la relajación. Se produce una sístole auricular y una sístole ventricular. Esto es 15 debido al retraso que origina el nódulo auriculoventricular. Se genera una diástole auricular y una diástole ventricular. La relajación de las aurículas posibilita su llenado de sangre, que viene de las venas. La diástole ventricular permite el llenado de los ventrículos por la sangre que viene de las aurículas en contracción. El movimiento cardiaco es modificado por el bulbo raquídeo en función de las necesidades energéticas de los tejidos. EL APARATO EXCRETOR En el metabolismo celular se forma una serie de sustancias que deben ser expulsadas del organismo, pues algunas de ellas son muy tóxicas, como los desechos nitrogenados. Otras no lo son, pero pueden suponer un problema para el animal, dependiendo su hábitat, como son las sales minerales para animales acuáticos. Muchos desechos metabólicos se expulsan a través de la piel, incluso en animales muy evolucionados. Sin embargo, aparecen estructuras especializadas en la filtración del medio interno que, además de expulsar sustancias tóxicas, controlan los parámetros de agua, sales minerales y nutrientes en el interior del animal. La expulsión de nitrógeno puede realizarse mediante distintas formas moleculares, como son el amoniaco, la urea o el ácido úrico. La expulsión en forma de amoniaco implica la posibilidad de capturar abundante cantidad de agua de manera constante, puesto que el amoniaco debe ser expulsado inmediatamente y disuelto en agua. Si esto no fuera así, el animal moriría. Por ello, los animales que expulsan amoniaco como producto de deshecho nitrogenado son animales que viven en agua, como los peces osteictios. Este tipo de animales reciben el nombre de amoniotélicos. Los tiburones y las rayas, anfibios en fase adulta, tortugas y mamíferos expulsan urea como producto nitrogenado de desecho. Estos animales reciben el nombre de ureotélicos. La urea se forma cuando los radicales amina se unen al carbono. Esta sustancia, pese a ser tóxica, puede ser almacenada en el interior del animal siempre que esté disuelta en abundante agua. Animales que necesitan restringir la pérdida de agua, como insectos o reptiles, o que no pueden acumular grandes cantidades de agua debido a su modo de vida, como las aves, expulsan ácido úrico como sustancia nitrogenada de desecho. Estos animales reciben el nombre de uricotélicos. Esta sustancia se expulsa en forma sólida y no produce pérdida de agua. SISTEMAS EXCRETORES EN INVERTEBRADOS Los animales diblásticos eliminan las sustancias nitrogenadas por difusión. Este sistema también es seguido por animales triblásticos simples. Sin embargo, es más habitual la presencia de estructuras específicas que cumplen esa función. Podemos encontrar protonefridios, metanefridios, tubos de Malpighi, glándulas verdes y glándulas coxales. Protonefridios Son estructuras sencillas que aparecen en acelomados o pseudocelomados. Hay dos tipos de protonefridios: Células flamígeras: son células grandes con cilios. Conectan unas células del interior del cuerpo con el exterior mediante un pequeño conducto. Los productos nitrogenados pasan de una célula a otra, hasta llegar a la célula flamígera que lo expulsa al exterior, gracias a la corriente que crea el movimiento de los cilios. 16 Solenocitos: son células grandes, flageladas, con un collarete. Se asocian unas células con otras formando una cámara a la que se expulsan las sustancias nitrogenadas, que salen al exterior, gracias a la acción de los flagelos. Metanefridios Aparece en anélidos, moluscos y algunos artrópodos. Son tubos enrollados, con dos aberturas. Un extremo es el nefrostoma, que está en contacto con la cavidad celómica y extrae de ésta todo tipo de sustancias. En el tubo del metanefridio, llamado nefroducto, se produce la reabsorción de los compuestos útiles para el animal. Las sustancias tóxicas se expulsan al exterior a través del nefroporo. Tubos de Malpighi (o Malpigio) Esta estructura aparece en insectos. Son túbulos con un extremo cerrado y otro abierto al tramo final del intestino del animal. Capta sustancias de la cavidad interna y las expulsa al intestino. En esta zona se reabsorben las sustancias útiles y se expulsan al exterior los desechos nitrogenados. Glándulas verdes (o antenales) Aparecen en crustáceos. Se encuentran situadas debajo de las antenas. Están formadas por un saco que recoge los compuestos tóxicos, un largo tubo que termina en la vejiga, que es una zona ensanchada donde se acumulan las sustancias nitrogenadas, que se expulsan a través del nefridioporo. LA EXCRECIÓN EN VERTEBRADOS Muchas estructuras corporales pueden cumplir la función de excreción de sustancias tóxicas. Entre ellas, cabe citar la piel, que mediante las glándulas exocrinas puede verter disueltas sustancias al exterior. También, el aparato respiratorio, además de expulsar CO2, residuo metabólico de la actividad celular, vierte, disperso en la humedad del aire, otras sustancias que el organismo no desea. Sin embargo, los vertebrados poseen órganos específicos para la eliminación de sustancias nitrogenadas. Además, asociada con esta función, igual que en otros animales, el sistema excretor mantiene constantes en el medio interno los niveles de ciertas sustancias esenciales para la vida. Los órganos encargados de llevar a cabo estas funciones son los riñones. Son órganos pares, formados por túbulos renales. Existen tres tipos de estructuras filtradoras: Pronefros Son estructuras que aparecen en los embriones de vertebrados. Están constituidos por gran cantidad de nefrostomas que se unen a un tubo mayor, denominado uréter. Los nefrostomas recogen líquido filtrado de un glomérulo, formado por capilares. Mesonefros Aparecen en peces y anfibios en la fase adulta y en embriones de reptiles, aves y mamíferos. El riñón está constituido por un gran número de túbulos que, en su zona inicial, en contacto con el sistema circulatorio, poseen un tramo ensanchado denominado cápsula de Bowman. Cerca de esta cápsula aparece un nefrostoma atrofiado. La cápsula de Bowman absorbe el líquido que se filtra de los capilares del glomérulo. 17 Los anfibios, como otros animales, utilizan, además de sus estructuras renales, glándulas de la piel para expulsar sustancias tóxicas. Metanefros Aparece en reptiles, aves y mamíferos. El riñón está constituido por unos túbulos denominados nefronas. Las nefronas son tubos que se dividen en las siguientes partes: Cápsula de Bowman: es una zona inicial ensanchada, que recoge el líquido que se filtra de los capilares del glomérulo. Túbulo contorneado proximal: zona tortuosa donde se produce la reabsorción de sustancias disueltas en el líquido filtrado y que son necesarias para el organismo, por lo que pasan de nuevo a la sangre. Asa de Henle: es un tramo estrecho y curvado, donde se concentra el líquido que circula por la nefrona. Está rodeado de vasos sanguíneos. Túbulo contorneado distal: es otra zona tortuosa, donde continúa la reabsorción de sustancias y aumenta la concentración del líquido circulante. Desemboca en el túbulo colector. II LA FUNCIÓN DE RELACIÓN El medio en el que viven los animales está en continuo cambio. Muchos de esos cambios son detectados por los animales mediante los órganos de los sentidos. Los cambios detectados que inducen la elaboración de una respuesta se denominan estímulos. Los estímulos pueden provenir del interior del animal, como la sensación de hambre o dolor, o producirse en el exterior, como los cambios de temperatura o de luz. Pueden ser elaborados por animales de su misma especie, como gritos de peligro o la exhibición de colores vistosos por el sexo contrario, o producidos por animales de distinta especie, como la producción de sustancias olorosas para marcar el territorio o sonidos característicos. Las respuestas frente a un estímulo pueden ser positivas, si el animal se acerca al estímulo, o negativas, si el animal se aleja del estímulo, externas, como defensa o ataque, o internas, como la producción de hormonas. Para poder detectar estos estímulos, el animal dispone de sentidos que recogen información visual, táctil, auditiva o química, y órganos efectores para realizar respuestas adecuadas. Los sistemas de coordinación integran la información recibida y elaboran la respuesta que deben llevar a cabo los órganos efectores. Estos sistemas de coordinación son el sistema nervioso y el sistema endocrino. EL SISTEMA NERVIOSO El sistema nervioso es un sistema de coordinación. Recoge la información recibida por los sentidos, la procesa y elabora la respuesta adecuada que deben realizar los órganos efectores. El sistema nervioso genera respuestas rápidas que transmite por impulsos nerviosos a los músculos, lisos o estriados, produciendo un movimiento. Este movimiento puede aplicarse sobre los huesos o sobre órganos internos, como el corazón, el intestino o las glándulas. La neurona 18 El sistema nervioso está formado por un conjunto de células que se conectan entre sí mediante sinapsis, transmitiendo información de unas a otras. Estas células reciben el nombre de neuronas. La neurona es la unidad estructural y funcional del sistema nervioso. En su estructura se puede distinguir: El cuerpo neuronal, que es la zona más ancha. En este lugar se encuentran casi todos los orgánulos celulares. Las dendritas, que son prolongaciones del cuerpo celular. Suelen ser numerosas. Se unen con otras neuronas y son las que reciben el impulso nervioso. Los axones, son prolongaciones del cuerpo celular. Generalmente se presenta uno por cada neurona, auque pueda ramificarse en la zona final. El axón envía el impulso nervioso a otra neurona o al órgano efector. Según la función que realizan, las neuronas pueden clasificarse en: Sensitivas, si reciben información que trasladan al sistema nervioso central, De asociación, que unen unas neuronas con otras, Motoras, si conectan con un órgano efector, Mixtas, si realizan funciones sensitivas y motoras. En animales con un sistema nervioso muy evolucionado, aparecen células protectoras de las neuronas que las alimentan. Estas células forman un esqueleto de sostén, o evitan la propagación de impulsos nerviosos por zonas no deseadas. Se denominan glías El impulso nervioso La información se transmite mediante cambios de polaridad en las membranas de las células, debido a la presencia de neurotransmisores que alteran la concentración iónica del interior celular. En animales poco evolucionados, la transmisión del impulso nervioso se genera sin presencia de neurotransmisores. Además, en el interior de la neurona existen proteínas e iones con carga negativa. Esta diferencia de concentración de iones produce también una diferencia de potencial entre el exterior de la membrana y el interior celular. El valor que se alcanza es de unos -70 milivoltios (negativo el interior con respecto al valor de cargas positivas del exterior). Esta variación entre el exterior y el interior se alcanza por el funcionamiento de la bomba de sodio/potasio (Na+/K+) 19 La bomba de Na+/K+ gasta ATP. Expulsa tres iones de sodio que se encontraban en el interior de la neurona e introduce dos iones de potasio que se encontraban en el exterior. Los iones sodio no pueden volver a entrar en la neurona, debido a que la membrana es impermeable al sodio. Por ello, la concentración de iones sodio en el exterior es elevada. Además, se pierden 3 cargas positivas cada vez que funciona la bomba de Na+/K+, aunque entren dos cargas de potasio. Esto hace que en el exterior haya más cargas positivas que en el interior, creando una diferencia de potencial. Se dice que la neurona se encuentra en potencial de reposo, dispuesta a recibir un impulso nervioso. Cuando el impulso nervioso llega a una neurona en estado de reposo la membrana se despolariza, abriéndose los canales para el sodio. Como la concentración de sodio es muy elevada en el exterior, cuando los canales para el sodio se abren se invierte la polaridad, con lo que el interior de la neurona alcanza un valor electropositivo, respecto del exterior. Si la despolarización provoca un cambio de potencial de 120 milivoltios más de los que tenía el interior se dice que se ha alcanzado el potencial de acción, que supone la transmisión del impulso nervioso a la siguiente neurona, ya que se crean las condiciones necesarias en el interior celular como para poder secretar neurotransmisor a la zona de contacto entre neuronas. La transmisión del impulso nervioso sigue la Ley del todo o nada. Esto quiere decir que si la despolarización de la membrana no alcanza un potencial mínimo, denominado potencial umbral, no se transmite el impulso nervioso, pero, aunque este potencial sea rebasado en mucho, sólo se envía un impulso nervioso, siempre de la misma intensidad. Sinapsis Las neuronas, en la mayor parte de los animales, no se encuentran físicamente unidas. Existe un pequeño espacio entre ellas, llamado hendidura sináptica, al que se vierte el neurotransmisor desde la membrana presináptica, membrana de la neurona que envía el impulso nervioso, a la membrana postsináptica, membrana de la neurona que recibe el impulso nervioso. El neurotransmisor es la molécula 20 responsable de despolarizar la membrana de la neurona que recibe el impulso nervioso, abriendo los canales para el sodio que permanecían cerrados. Una vez que la neurona emite el impulso nervioso debe volver al inicial potencial de reposo. Para ello, la membrana se repolariza, cerrándose los canales para el sodio que estaban abiertos por la presencia del neurotransmisor. El neurotransmisor es destruido por acción enzimática y el potencial de reposo se alcanza al expulsar el sodio la bomba de Na+/K+. TIPOS DE SISTEMAS NERVIOSOS Los animales presentan distintos tipos de sistemas nerviosos. Encontramos sistemas tan sencillos como los de Cnidarios o tan complejos como los de vertebrados. Las posibilidades radican en la presencia de una red difusa, un sistema nervioso ganglionar ventral, un sistema radial o un sistema formado por un tubo neural dorsal. Red difusa Los Cnidarios poseen células nerviosas situadas en la epidermis. El impulso nervioso se expande en todas direcciones. Esto es debido a que la neurona transmite información en las dos direcciones. Animales más evolucionados tienen neuronas polarizadas, con una parte que recoge la información y otra que la envía. Sistema nervioso ganglionar ventral En este modelo el sistema nervioso se localiza en la zona ventral del cuerpo, en el mismo plano donde se sitúa la boca. Está formado por ganglios, que son aglomeraciones de neuronas, y cordones nerviosos, que están formados por las prolongaciones de las neuronas. En Platelmintos observamos dos ganglios en la zona anterior del cuerpo, que son los ganglios cefálicos. Éstos se continúan por cordones nerviosos, llamados conectivos, que enlazan con los demás pares de ganglios, que inervan todo el cuerpo a lo largo de toda la zona ventral del animal. Existen cordones secundarios, llamados comisuras, que inervan la pareja de ganglios de cada zona del cuerpo. El sistema completo da una estructura en forma de escalera de nudos, con los peldaños formados por las comisuras y los conectivos formando los pasamanos. Los nudos son los ganglios nerviosos. En Moluscos aparece un anillo periesofágico, en torno al tubo digestivo, con tres ganglios cerebroideos. De esta zona sale un par de cordones nerviosos que inervan el pie y otro par la masa visceral. En Cefalópodos el sistema nervioso es más evolucionado y sólo posee dos cordones nerviosos que parten de un cerebro muy avanzado. 21 En Anélidos existen dos ganglios cerebroideos unidos. Estos ganglios se continúan por una cadena ganglionar ventral formada por fusión de los pares de ganglios en cada metámero, por lo que pierde el aspecto de "escalera de nudos". En Artrópodos el sistema nervioso aumenta la concentración ganglionar, principalmente en la zona cefálica, debido al desarrollo de los órganos de los sentidos. Aparece un cerebro formado por tres ganglios unidos, llamados Protocerebro, que inerva los ojos, Deutocerebro, que recibe la información de las antenas y los órganos olfatorios, y Tritocerebro, que controla las piezas bucales. Después de este tercer ganglio continúa una cadena ganglionar ventral muy concentrada, que controla, de forma independiente del cerebro, las partes del cuerpo. Sistema radial Lo encontramos en los Equinodermos, animales que presentan simetría radial. Tienen un anillo oral del que parten cinco ramas que reciben la información del sistema ambulacral. Un segundo anillo oral, más profundo, el que salen otras cinco ramificaciones, controla el movimiento de los brazos. Por último, un anillo aboral, del que parten otras cinco ramificaciones nerviosas, inerva la piel, entre las placas dérmicas. Tubo neural dorsal El sistema nervioso dorsal en forma de tubo es característico de Cordados, llegando a su máximo desarrollo en Vertebrados. El sistema está formado por un tubo que se ensancha en la zona anterior del animal, en la cabeza, y continúa a lo largo de la zona dorsal, la espalda, del animal. La zona anterior ensanchada es el encéfalo y la continuación del tubo recibe el nombre de médula espinal. De esta estructura central, sistema nervioso central, parten los nervios, que inervan todo el cuerpo y que forman el sistema nervioso periférico. Las capacidades que facilita un sistema nervioso tan perfecto como el que poseen los vertebrados hace que sean animales muy versátiles. Ver y mirar con precisión, olfatear y reconocer los olores, oír e, incluso, entender son tareas que suponen la existencia previa de un sistema nervioso complejo. EL SISTEMA NERVIOSO EN HUMANOS El sistema nervioso en humanos es, desde el punto de vista humano, la máquina más perfecta que se conoce. Está compuesto por un sistema nervioso central y un sistema nervioso periférico. El sistema nervioso central está formado por el encéfalo y la médula espinal. 22 El encéfalo está constituido por tres vesículas iniciales, que son el Prosencéfalo, Mesencéfalo y Rombencéfalo. Posteriormente, en el desarrollo embriológico, originan por subdivisión, cinco vesículas. El Prosencéfalo origina el Telencéfalo y el Diencéfalo. El Mesencéfalo no se divide. El Rombencéfalo origina el Metencéfalo y el Mielencéfalo. El Telencéfalo está subdividido en dos hemisferios y contiene dos lóbulos olfatorios, que se encuentran muy desarrollados en peces, pero poco a poco van reduciendo su tamaño en vertebrados más evolucionados. Forma los hemisferios cerebrales. El cerebro en Mamíferos alcanza su mayor desarrollo. El cerebro tiene la capacidad de controlar movimientos, recoger información de sentidos, almacenar recuerdos y elaborar respuestas complejas, incluso, utilizando esos recuerdos para modular la respuesta final. El Diencéfalo es un tramo pequeño que forma parte del cerebro. En la zona superior aparece el epitálamo, que en peces, anfibios y reptiles tiene una función fotorreceptora. También se encuentra el tálamo, lugar donde se regulan estímulos sensitivos. En la zona inferior está el hipotálamo, que regula la actividad hormonal de la hipófisis y la temperatura del cuerpo. En el Mesencéfalo aparecen los lóbulos ópticos en vertebrados inferiores. En Mamíferos forma los tubérculos cuadrigéminos. El Metencéfalo origina el cerebelo. Este órgano controla los movimientos posturales y coordina el movimiento. En esta vesícula se encuentra en Puente de Varolio, que es suna zona de cruce de vías nerviosas, en la que las fibras que provienen de la zona derecha del cuerpo se dirigen a la zona izquierda del cerebro. Lo contrario ocurre con las fibras que provienen del lado derecho. El Mielencéfalo origina la médula oblonga o bulbo raquídeo. Regula, además, actividades de las vísceras, tales como la deglución, el ritmo cardiaco o el ritmo respiratorio. La médula espinal se encuentra situada en el interior de la columna vertebral. Se distinguen dos zonas por su coloración y composición: la sustancia blanca, por fuera, formada por los axones de las neuronas, y la sustancia gris, más interna, con forma de mariposa, formada por los cuerpos neuronales de las neuronas y con un orificio interior llamado epéndimo. La sustancia gris tiene la forma de mariposa que ves en la imagen por estar formada por astas dorsales (alas pequeñas de la mariposa) por donde entran fibras sensitivas, y astas ventrales (alas grandes de la mariposa) de donde salen fibras motoras. Las funciones de la médula espinal consisten en transmitir la información desde la zona sensitiva al encéfalo y de éste a las zonas motoras. También realiza los actos reflejos, que son respuestas rápidas, sin intervención del encéfalo. La médula espinal se encuentra situada en el interior de la columna vertebral. Se distinguen dos zonas por su coloración y composición: la sustancia blanca, por fuera, formada por los axones de las neuronas, y la sustancia gris, más interna, con forma de mariposa, formada por los cuerpos neuronales de las neuronas y con un orificio interior llamado epéndimo. 23 La sustancia gris tiene la forma de mariposa que ves en la imagen por estar formada por astas dorsales (alas pequeñas de la mariposa) por donde entran fibras sensitivas, y astas ventrales (alas grandes de la mariposa) de donde salen fibras motoras. Las funciones de la médula espinal consisten en transmitir la información desde la zona sensitiva al encéfalo y de éste a las zonas motoras. También realiza los actos reflejos, que son respuestas rápidas, sin intervención del encéfalo. El sistema nervioso periférico está constituido por los nervios que entrar y salen del sistema nervios central y por ganglios nerviosos. Este sistema nervioso periférico puede enviar información a músculos de contracción voluntaria o regular funciones vegetativas. El conjunto de ganglios nerviosos y nervios que controlan estas funciones vegetativas forma el sistema nervioso autónomo o vegetativo. El sistema nervioso autónomo esta compuesto a su vez por dos subsistemas, llamados sistema nervioso simpático y sistema nervioso parasimpático. Ambos sistemas son, para casi todas sus funciones, antagonistas el uno del otro, es decir, lo que un sistema activa, el otro lo inhibe. El sistema nervioso simpático activa funciones tales como el movimiento cardiaco o respiratorio. El sistema nervioso parasimpático actúa como inhibidor en esas dos tareas. Sin embargo el sistema nervioso parasimpático acelera la actividad intestinal y el sistema nervioso simpático la inhibe. EL SISTEMA ENDOCRINO El sistema endocrino es un sistema de coordinación. Recibe señales, procesa la información recibida y elabora la respuesta adecuada que deben realizar los órganos receptores de las hormonas. El sistema endocrino genera respuestas lentas que transmite mediante sustancias químicas, llamadas hormonas, las cuales circulan por la sangre y actúan sobre los órganos que reconocen estas sustancias. Estos órganos, denominados órganos blanco, producen respuestas acordes con la concentración de hormona detectada en sangre. La existencia de una hormona puede suponer la aparición de estructuras que no aparecerían sin su presencia. Ejemplos son la cresta del gallo o el tejido sexual de las hembras chimpancé. Las hormonas suelen ser segregadas por células agrupadas en órganos llamados glándulas. A veces son segregadas por neuronas. En este caso, las hormonas reciben el nombre de neurohormonas. El funcionamiento del sistema endocrino se realiza mediante retroalimentación negativa o retroinhibición (Feed back): 1. La glándula recibe la información para la secreción de la hormona. 2. La glándula libera la hormona. 24 3. La hormona actúa en el órgano o célula blanco, lo que produce un cambio en el medio interno. 4. El cambio en el medio interno es detectado por la glándula secretora e inhibe la secreción de la hormona hasta que se reciba nueva orden de secreción. Hormonas en invertebrados En invertebrados no aparecen auténticas glándulas. Las hormonas son segregadas por células nerviosas, por lo que las hormonas son neurohormonas. Este tipo de hormonas están encargadas de regular el crecimiento del animal y de su maduración sexual. También pueden controlar cambios de color, que permiten al animal mimetizarse con el entorno. El estímulo que produce la secreción hormonal es visual. Los cambios de luz son detectados por los ojos. En Artrópodos el crecimiento del animal implica que el exoesqueleto sea cambiado por uno nuevo, de mayor tamaño. A este proceso se le denomina muda o ecdisis. La muda es controlada por mecanismos hormonales. Los crustáceos poseen células neurosecretoras en los llamados órganos X y órganos Y. La secreción de neurohormona por el órgano X, que se encuentra en los pedúnculos oculares, inhibe la muda. La secreción de neurohormona por el órgano Y, que se encuentra en las antenas, activa la muda. En Insectos aparece una neurohormona secretada por el protocerebro, llamada neotenina, que promueve la formación de estructuras larvarias y la inhibición de estructuras sexuales. También en el protocerebro, en los llamados cuerpos cardiacos, se produce otra neurohormona, llamada ecdisotropina, que actúa sobre una auténtica glándula, la glándula protorácica, e induce la liberación de ecdisona. La ecdisona estimula formación de la pupa, la muda y la aparición de caracteres de adulto. Sistema endocrino en Vertebrados En Vertebrados, las zonas de secreción hormonal más importantes son el hipotálamo, la hipófisis, el tiroides, las glándulas paratiroides, el páncreas, las glándulas suprarrenales, las gónadas y la placenta. También existen células productoras de hormonas, dispersas por el tubo digestivo, que producen gastrina, en el estómago, secretina y colecistoquinina en el duodeno y yeyuno. El riñón produce renina, que actúa regulando la presión sanguínea. La angiotensina I y angiotensina II se producen en el pulmón. El mecanismo de acción sigue básicamente los principios de la retroalimentación negativa. El hipotálamo es la glándula coordinadora de todo el sistema. Además, como parte del sistema nervioso, tiene funciones de control nervioso sobre la temperatura corporal o el estado de vigilia o sueño, en el caso de Mamíferos. La hipófisis, junto con el hipotálamo, forma el eje hipotálamo-hipofisario, que constituye el centro de control de producción de hormonas. 25 El hipotálamo, al recibir información del organismo, libera una neurohormona, denominada factor de liberación, que actúa sobre la hipófisis, promoviendo la secreción de una determinada hormona hipofisaria. Las hormonas hipofisarias actúan sobre tejidos u órganos blanco. El resultado es un cambio metabólico en el tejido u órgano receptor de la hormona. En el caso en que el órgano blanco sea una glándula, el efecto consistirá en la producción de otra hormona. El cambio producido en el medio interno es detectado por el hipotálamo, y esto inhibe la producción de neurohormonas, con lo que se bloquea la secreción hormonal en la hipófisis. Las condiciones en el medio interno volverán a la situación inicial que desencadenó todo el proceso, con lo que el hipotálamo volverá a producir neurohormona. 26 III LA REPRODUCCIÓN El comienzo de una nueva vida puede producirse de distintas formas, pero, en cualquier caso, antes o después desemboca en la muerte del individuo. Si en ese intervalo de tiempo, que llamamos vida, no se reproduce ese ser, la continuidad de individuos de su especie podría verse afectada. Por esto, la reproducción es un mecanismo encaminado a perpetuar la especie. No tiene importancia la vida que sigan los parentales, lo importante es la descendencia y la información genética que posee. Los animales presentan dos tipos posibles de reproducción, la reproducción asexual y la reproducción sexual. Reproducción asexual Es una reproducción típica de seres unicelulares, algas, hongos y plantas, pero pocos animales siguen esa vía reproductiva. En este tipo de reproducción un parental origina un individuo genéticamente idéntico a él, por lo que es un clon del parental. Los distintos tipos de reproducción asexual en animales son la gemación y la fragmentación. Gemación: algunas células del individuo parental se dividen de forma activa, formando una yema. Esta estructura puede terminar separándose del progenitor y formar un individuo aislado o quedar unido mediante una estructura, formando parte de una colonia. Presentan este tipo de reproducción las esponjas y los pólipos, solitarios o coloniales, como, por ejemplo, los corales. Escisión o fragmentación: el progenitor se divide de forma espontánea (longitudinal o transversalmente), originando una población filial. Este tipo de reproducción se presenta en pólipos y medusas y en Platelmintos. Un caso especial de fragmentación ocurre en la poliembrionía. Este proceso ocurre cuando, a partir de un embrión en desarrollo inicial, se produce una separación de grupos celulares. Cada uno de estos grupos origina un individuo completo. En este caso, la camada resultante tendrá el mismo genotipo. La poliembrionía es típica en el armadillo (Mamífero desdentado). Es el proceso por el que surgen los gemelos univitelinos humanos. La regeneración no es, generalmente, un proceso de reproducción del individuo entero. Es más bien, un mecanismo de defensa que utilizan muchos animales. Consiste en prescindir de alguna parte del cuerpo con la finalidad de no ser atrapado por un depredador. Posteriormente, la parte que se ha perdido del cuerpo es regenerada. Es el caso de la cola de la lagartija, estructuras internas, como parte del aparato digestivo de las holoturias, o los brazos de la estrella de mar. En este último caso, a veces puede surgir una estrella nueva a partir del brazo cortado. Esto sólo ocurre si, con la sección del brazo se arranca parte del disco oral del animal. Si es así, estamos ante una auténtica reproducción asexual. Reproducción sexual La reproducción sexual es el modo más habitual de reproducción que realizan los animales. Se caracteriza por la presencia de células especializadas, llamadas gametos, y por originar seres distintos a los progenitores. Los gametos masculinos se denominan espermatozoides y los gametos femeninos, óvulos. Estas células se producen en órganos especializados, denominados gónadas. Los testículos son las gónadas que producen espermatozoides. Los ovarios son las gónadas que producen óvulos. 27 La formación de gametos se origina por un mecanismo denominado gametogénesis. Se llama espermatogénesis al proceso de formación de espermatozoides y ovogénesis al proceso de formación de óvulos. Ambos procesos implican una fase de maduración y otra de división celular por meiosis. Al final del proceso, los gametos formados han sufrido una reducción cromosómica para permitir la fecundación y formación de un nuevo ser con el mismo número de cromosomas que sus progenitores. En la especie pueden existir individuos de distinto sexo, machos y hembras, o tener la capacidad de producir gametos masculinos y femeninos, hermafroditas. En el caso de ser hermafroditas, como las lombrices o caracoles de huerta, se favorece la fecundación cruzada. Lo normal es que los gametos se unan en un proceso denominado fecundación. Otras veces, no se produce fecundación y, a partir de células germinativas femeninas sin fecundar, se origina el nuevo animal. En este caso estamos ante una partenogénesis. LA FECUNDACIÓN Y EL DESARROLLO No siempre existe unión de gametos en la reproducción sexual, aunque es el mecanismo de reproducción más habitual. La fecundación es la unión de un espermatozoide y un óvulo. La célula formada tras la fecundación sufrirá un proceso denominado embriogénesis, que consiste en la formación del embrión. Dependiendo del lugar donde se realice, puede ser externa o interna. En la fecundación externa los espermatozoides y los óvulos se juntan en el exterior del animal. Los espermatozoides son células muy sensibles al medio que les rodea. Deben estar en un medio con gran cantidad de agua para poder desplazarse hasta el óvulo, por lo que este tipo de fecundación debe realizarse en agua o en un medio muy húmedo, como en el caso de las lombrices de tierra. La fecundación interna es la que se produce en el interior del animal, que será la hembra en especies con sexo separado. Para ello, los espermatozoides deben entrar en el oviducto. La forma de hacerlo puede ser mediante un órgano copulador, como el pene, por estrecho contacto entre oviducto y espermiducto, como la cópula en aves, o por la producción de espermatóforos que se introducen en el oviducto. 28 La fecundación origina la célula huevo o zigoto. Mediante un complejo proceso de divisiones mitóticas, llamado desarrollo embrionario o embriogénesis, se formará el nuevo descendiente. La embriogénesis es la formación del embrión, a partir del cigoto formado en la fecundación. El proceso se divide en las siguientes fases: 1. Segmentación: el cigoto se divide varias veces, formando una estructura llamada mórula. El proceso de formación de la mórula se realiza por sucesivas divisiones mitóticas. Las células formadas son totipotentes y se llaman blastómeros. 2. Blastulación: Las células de la mórula continúan dividiéndose y migran hacia el exterior, formando una única capa celular que envuelve un hueco interior llamado blastocele. La estructura formada se denomina blástula. 3. Gastrulación: Las células de la blástula continúan su división. En un punto concreto, las células se dividen a distinto ritmo, originando una cavidad hacia el interior de la blástula. La estructura formada se denomina gástrula y la cavidad interior, arquénteron, que se abre al exterior por un orificio denominado blastoporo. Así, las células que tapizan el arquénteron pertenecen a la hoja embrionaria denominada endodermo y las células de fuera pertenecen al ectodermo. La gástrula se origina de distinto modo, según el tipo de animal. 4. En animales triblásticos, todavía en la fase de gástrulación, se origina una nueva hoja embrionaria denominada mesodermo, localizada entre el endodermo y el ectodermo. La forma de originar el mesodermo varía según el tipo de animal. A veces, el mesodermo contiene una cavidad interior, denominada celoma. Los animales que poseen esta cavidad reciben el nombre de celomados. 5. Organogénesis: es la fase en la que se van a formar los distintos tejidos y órganos que conformarán el animal. Dependiendo del animal, esta fase puede llegar a ser muy compleja. 29 Dependiendo del lugar donde se produzca el desarrollo embrionario, los animales se clasifican en: Ovíparos: animales que desarrollan en el interior de un huevo. Ovovivíparos: animales que desarrollan en el interior de un huevo, que se encuentra dentro del cuerpo de la madre, pero no se establece contacto directo con ella. Vivíparos: animales que desarrollan en el interior de la madre, estableciendo un contacto íntimo con ella. Después del desarrollo embrionario y el nacimiento, el desarrollo del animal continúa. Este desarrollo postembrionario puede ser directo o indirecto. El desarrollo directo consiste en alcanzar el grado de madurez sexual sin cambios morfológicos aparentes, excepto el aumento de tamaño. El desarrollo indirecto consiste en que el animal surge de un huevo en estado larvario y, para pasar al estado adulto, debe sufrir cambios acusados en su morfología. A veces, existen distintos estados larvarios. A veces, el desarrollo incluso, puede pasar por una fase en la que la larva no se alimenta y se envuelve en una estructura protectora, formando un capullo o pupa, construida por ella, mientras alcanza el estado adulto. En este caso, se dice que el desarrollo es indirecto y complejo. 30 LA REPRODUCCIÓN EN LOS DISTINTOS GRUPOS DE ANIMALES REPRODUCCI REPRODUC ÓN SEXUAL GRUPOS CIÓN Sexo Hermafr ASEXUAL separad odita Esponjas Escisión Sí Sí Cnidarios Escisión Sí Sí Platelminto Escisión Sí Sí s Anélidos Escisión Sí Sí Moluscos No Sí Sí TIPO DE LUGAR DE FECUNDACIÓ DESARROL DESARROL N LO LO Externa e interna Indirecto Externa e interna Indirecto Ovíparos Ovíparos Externa e interna Indirecto Ovíparos Interna, externa Externa e interna Interna (espermatóforos) Externa e interna Indirecto Indirecto Ovíparos Ovíparos Directo Ovovivíparos Arácnidos No Sí No Crustáceos No Sí Sí Insectos Sí No Equinoder Regeneración mos Sí Excepcio Externa nes Peces No Sí No Externa, interna Anfibios No Sí No Reptiles Regeneración Sí Sí Sí No Aves No Mamíferos No Indirecto Indirecto, Interna sencillo o (espermatóforos) complejo Ovíparos Ovíparos ovovivíparos Indirecto Ovíparos Externa Directo, indirecto Indirecto No Interna Directo No No Interna Interna Directo Directo Ovíparos y ovovivíparos Ovíparos Ovíparos y ovovivíparos Ovíparos Vivíparos LA CLONACIÓN Un clon es una unidad genéticamente igual a la unidad predecesora, de la que está clonado. La unidad puede ser molecular, clonando un gen, un grupo de genes, el ADN completo, una célula, un tejido, un órgano o un individuo completo. Los clones se producen de forma natural por división asexual. La clonación plantea una serie de problemas que están todavía por resolver. Clonación molecular La clonación de moléculas puede realizarse por dos procesos, la clonación acelular o la clonación celular. 31 Clonación acelular: se conoce también como mecanismo de amplificación de ADN o ARN (PCR). Esta clonación puede tener dos objetivos, obtener gran cantidad de ADN para distintos fines, o determinar la secuencia de una porción pequeña de ADN en una disolución. Su aplicación es muy variada. Se usa para detección de secuencias de ADN, para la secuenciación de ADN, para rastreo de mutaciones, diagnóstico de enfermedades (parentales o no), para estudios evolutivos, detección de células tumorales, amplificación de ADN para clonación celular, etc. Clonación celular: este mecanismo utiliza células para clonar fragmentos de ADN, no es una clonación de células. Para ello, previamente se ha tenido que amplificar (es decir, conseguir muchas copias clonadas) el ADN que se quiere clonar. Después, insertar el ADN en vehículos, denominados vectores, que lo transportan e introducen en las células. El nombre que reciben estas células es anfitriones, y son las células que hay que cultivar, es decir, conseguir multiplicarlas en un medio de cultivo. Las células, cuando se multiplican, duplican el ADN propio y el fragmento que se desea clonar. De este modo se obtiene un elevado número de células que contienen el ADN que queremos clonar, llamado recombinante. El objetivo de este tipo de clonación puede ser la amplificación del ADN clonado con el fin de estudiar su secuencia, su estructura, para estudios filogenéticos o para identificación de mutaciones. También se utiliza este método para estudiar el mecanismo de regulación de los genes, su transcripción y su traducción. Otra aplicación está en la obtención de la proteína que codifica la secuencia de ADN clonado, ya sea para analizar la estructura de la proteína, para alterarla o comercializarla en función de sus propiedades. Ésta es la técnica utilizada para la obtención de insulina. Clonación de células, tejidos u órganos Se utilizan células troncales, capaces de formar otras células diferenciadas, que pueden originar tejidos o podrían formar órganos, debido a su totipotencia. Con este tipo de clonación obtenemos células compatibles con el adulto, que podrían diferenciarse a distintos tipos celulares, formando un tejido o recomponiéndole. Incluso un órgano. Esta técnica puede utilizarse en el caso de quemados, para generar células epiteliales, a partir de células troncales y disminuir el rechazo de transplantes de piel. Se ha intentado, en casos de diabéticos, introducir en células madre del páncreas, un gen "normal" productor de insulina. Estas células se diferencian para formar células de páncreas y se injertan en el paciente. También, se ha utilizado esta técnica en pacientes que han sufrido infarto cardiaco. A las células troncales se las hace madurar para formar células musculares cardiacas; se injertan en el corazón y suplen a las células muertas, regenerando la zona dañada por el infarto. Clonación de organismos La clonación de plantas se ha realizado en agricultura y jardinería desde hace mucho tiempo. El método de plantar "por estaca" supone coger una porción (una rama) de una planta e introducirla en la tierra, esperando que agarre y genere una raíz. Así, se consiguen plantas clónicas de la planta madre, con sus mismas características. Durante siglos se ha buscado la mejora de razas en el ganado, seleccionando individuos con más carne y mejores productores de leche o lana. En agricultura se han seleccionado para el cultivo las variedades más vistosas, más resistentes y más grandes. La forma de conseguir estos nuevos individuos ha sido mediante cruzamiento de parentales con las características deseadas, aunque esto no siempre se ha logrado. La utilización de hormonas para producir un aumento de tamaño 32 o un crecimiento más rápido en animales destinados para alimentación humana está actualmente prohibida por las consecuencias negativas que aparecen en la salud de los consumidores. En la actualidad se utiliza la clonación de organismos para obtener organismos genéticamente modificados, conocidos por el público no científico como transgénicos. Se busca conseguir aislar los genes responsables del engorde, de la producción de leche, de la resistencia a infecciones, resistencia a herbicidas... La técnica en animales consiste en conseguir células que contengan el gen responsable de la característica deseada. Posteriormente, el núcleo de esa célula es insertado en un ovocito, del que previamente se ha extraído su núcleo. Después hay que conseguir que esa célula diploide se divida formando un nuevo individuo, tal como lo haría un cigoto formado por la fecundación del óvulo por el espermatozoide. Finalmente, para que desarrolle este embrión, hay que implantarlo en el útero de una hembra. Se puede modificar genéticamente el núcleo de la célula de un animal para, posteriormente, clonarlo. En este caso, al ovocito al que se le ha extraído el núcleo se le inyecta el núcleo con la información genética modificada. En el caso de vegetales se utilizan células con capacidad de división. A éstas se les añaden los genes seleccionados. A continuación, las células se cultivan en el laboratorio y se obtienen de ellas, plantas con características distintas a la planta inicial. Son plantas clonadas. Problemas que plantea la clonación Los problemas que plantea la clonación surgen a partir de la clonación molecular, clonación de células y en la clonación de individuos. La clonación molecular genera distintos tipos de problemas, dependiendo del método empleado: Para poder realizar la clonación acelular de moléculas es necesario conocer la secuencia de ADN que queremos amplificar. Si esta secuencia no se conoce, no se puede realizar la clonación. Para poder realizar la clonación celular de moléculas es necesario realizar los siguientes pasos: Conocer la secuencia de ADN que se quiere clonar. Escoger un vector con suficiente eficacia como para insertar la secuencia de ADN. Encontrar las células que han sido recombinadas por el vector. Recoger el producto codificado por el ser clonado. La clonación de células tiene también inconvenientes. Hay que obtener células troncales. Las células troncales obtienen de: 33 Células generadoras de tejidos concretos, denominadas células comprometidas o multipotentes, como las células que generan las células sanguíneas, en la médula ósea. Células totipotentes, capaces de originar todo tejido de cualquier estirpe celular. Este tipo de células sólo se pueden obtener de los primeros estadios de división celular en el desarrollo embrionario. Las células, a las que nos estamos refiriendo, son los blastómeros, que aparecen por segmentación del zigoto. Para poder utilizarlas se necesita trabajar con embriones. Este trabajo se puede realizar con células de animales, pero no humanos, ya que la ley actual no permite la utilización de embriones humanos. La ley desea, con esta prohibición, que no se llegue a desarrollar la tecnología necesaria para clonación de individuos humanos. Esta prohibición implica no poder descifrar los mecanismos por los cuales una célula totipotente se transforma en una célula comprometida, capaz de generar sólo un tipo de estirpe celular. La prohibición también impide investigar terapias para enfermedades imposibles de curar hasta ahora, como la tetraplejia, o crear órganos diseñados a medida para cada enfermo, sin que aparezcan rechazos en los trasplantes. La clonación de organismos genéticamente modificados plantea dos tipos de problemas: Un problema social: se ha promovido un rechazo a los organismos "transgénicos", puesto que se desconoce la influencia que puede acarrear el cambio genético en ese ser en el medio ambiente y en el consumidor. Problemas técnicos: la técnica es todavía demasiado reciente. Estos problemas técnicos son mayores en la clonación de animales que en la de vegetales. 34