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Células, Desarrollo, Biodiversidad y Conservación

Pearson Edexcel · International A-Level · Biology · Tema 2

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2.1

De una célula a un mundo vivo

Comenzaste como una sola célula ovocito fecundada. Esta unidad explica cómo esa célula se dividió, cómo las copias fueron mezcladas y reducidas para formar gametos, cómo genes idénticos se convirtieron en tejidos diferentes, y cómo la variedad resultante se cuenta, clasifica y —cada vez más— se defiende. Es la unidad de microscopios, cálculos y definiciones realizadas con precisión.

WBI12 Células, Desarrollo, Biodiversidad y Conservación es la segunda unidad IAS: 1 hora 30 minutos, 80 puntos, todos obligatorios. Evalúa el Tema 3 (Estructura Celular, Reproducción y Desarrollo) y el Tema 4 (Estructura y Función Vegetal, Biodiversidad y Conservación). Se espera etiquetado de diagramas, cálculos de microscopio y aumento, índice de diversidad y preguntas de Hardy–Weinberg, así como respuestas extensas sobre evaluación de la conservación.

2.1

Ultraestructura celular y el microscopio

Syllabus

Enunciados del tema 3 3.1-3.7 con Práctica Central 5 (espec. pp.22-23). Ultraestructura eucariota: núcleo y nucléolo, ribosomas, retículo endoplasmático rugoso y liso, aparato de Golgi y vesículas, mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, centriolos, membrana plasmática; cada orgánulo vinculado a su función, y ultraestructura procariota (pared celular, cápsula, plásmidos, ADN circular único, ribosomas 70S, flagelo). Organización en tejidos, órganos y sistemas (enunciado 3.2). Aumento vs. resolución; microscopía óptica y electrónica (TEM/SEM); cálculos de aumento M = imagen/real; roles de la tinción. La Práctica Central 5 examina células con microscopía.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Una célula eucariota es un conjunto de compartimentos especializados:

Estructura Función
Núcleo y nucléolo ADN almacenado detrás de una membrana doble; el nucléolo construye ribosomas
Ribosomas (80S) sitio de síntesis proteica
Retículo endoplasmático rugoso pliega y transporta proteínas sintetizadas en sus ribosomas
Aparato de Golgi modifica, empaqueta y distribuye proteínas en vesículas
Mitocondria sitio de respiración aeróbica, producción de ATP
Cloroplasto (plantas) sitio de fotosíntesis
Lisosoma enzimas digestivas para orgánulos desgastados
Membrana plasmática controla el transporte y el reconocimiento

Las células se organizan en tejidos (células similares), órganos (tejidos cooperativos) y sistemas de órganos. Una célula procariota carece de orgánulos unidos por membrana: tiene pared celular, cápsula mucilaginosa, una molécula circular de ADN más plásmidos, ribosomas 70S y, a veces, un flagelo.

Aumento es cuánto más grande es la imagen; resolución es la separación mínima aún visible como dos entidades distintas. Los microscopios ópticos resuelven aproximadamente 200 nm; los haces de electrones, mucho más cortos en longitud de onda, logran resolución de unos pocos nanómetros —pero requieren secciones finas teñidas (TEM) o superficies recubiertas de oro (SEM). $M = \text{image size} / \text{actual size}$, manteniendo unidades consistentes.

Verificación práctica. Un mitocondrio mide 14 mm en una fotografía etiquetada ×20 000. Longitud real $= 14\,000\ \mu\text{m} / 20\,000 = 0.7\ \mu$m. Un núcleo que debe verse con su membrana doble necesita un microscopio electrónico: las dos membranas están más cerca que la resolución de un microscopio óptico.

2.2

Meiosis: reducción y mezcla

Syllabus

Enunciados 3.9-3.13 (espec. p.23): loci y ligamiento; meiosis como dos divisiones que producen cuatro células haploides genéticamente diferentes; distribución independiente de pares homólogos y entrecruzamiento de cromátidas como fuentes de variación; especialización de gametos mamíferos (acrosoma del espermatozoide, mitocondrias del segmento medio, citoplasma y zona pelúcida del ovocito); fecundación en mamíferos (reacción acrosómica, reacción cortical que bloquea polispermia) y en plantas con flor (tubo polínico, fecundación doble).

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Meiosis son dos divisiones sucesivas tras una única replicación del ADN, produciendo cuatro células haploides genéticamente diferentes a partir de una célula diploide. Dos procesos generan la variabilidad:

  • Asumción independiente — cada par homólogo se alinea y separa al azar en la meiosis I; cada gameto recibe uno de cada par, de cualquiera de los dos padres al azar ($2^n$ combinaciones).
  • Entrecruzamiento — en la profase I, cromátidas homólogas intercambian segmentos, mezclando alelos dentro de los pares cromosómicos.

Los gametos mamíferos están especializados para la entrega y provisión: el espermatozoide transporta un acrosoma (enzimas digestivas), una pieza media con mitocondrias y un flagelo; el huevo aporta casi todo el citoplasma y una zona pelúcida que bloquea espermatozoides adicionales tras la reacción cortical. En las plantas con flores, el tubo polínico lleva dos núcleos masculinos: uno fecunda el huevo, el otro los núcleos polares — fecundación doble.

Contenido de ADN por célula a lo largo del ciclo celular, ambas divisiones meióticas, gametos y fecundación. Note el duplicado en la fase S y las dos reducciones.
2.3

Mitosis y ciclo celular

Syllabus

Enunciados 3.14-3.16 con Práctica Central 6 (espec. p.23): ciclo celular (interfase G1-S-G2, seguido de mitosis y citocinesis); profase, metafase, anafase, telofase y lo que ocurre a los cromosomas en cada etapa; mitosis que produce células genéticamente idénticas para crecimiento, reparación y reproducción asexual; cálculo del índice mitótico (células en mitosis sobre el total de células) y uso clínico; Práctica Central 6 prepara y observa preparaciones de ápices radicales.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

La mitosis produce dos células diploides genéticamente idénticas: crecimiento, reparación, reproducción asexual. La interfase ($G_1$, S — replicación de ADN, $G_2$) ocupa la mayor parte del ciclo; la propia mitosis incluye profase (condensación de cromosomas, formación del huso), metafase (alineación en el ecuador), anafase (fibras del huso tiran de cromátidas hacia los polos), telofase (reforjamiento de membranas nucleares), seguido de citocinesis.

El índice mitótico $=$ células en mitosis $\div$ total de células contadas. Valores altos en una biopsia tisular indican división rápida — una señal de cáncer.

Ejercicio resuelto. Un aplastamiento de punta radicular muestra 36 de 450 células en mitosis: índice $= 36/450 = 0.08 = 8\%$. Si el ciclo dura 20 horas, la mitosis ocupa $0.08 \times 20 = 1.6$ horas.

2.4

Células madre y activación génica

Syllabus

Afirmaciones 3.17-3.21 (espec. p.24): células madre totipotentes y pluripotentes, etapas de mórula y blastocisto; diferenciación por expresión génica diferencial; cambios postranscripcionales en el ARNm que generan varias proteínas a partir de un gen; interacción del genotipo y el ambiente en el fenotipo; alelos múltiples e herencia poligénica que producen variación continua. La ética en el uso de células madre atraviesa las preguntas del examen.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Una célula madre totipotente puede formar un organismo completo (las primeras divisiones del cigoto); una célula pluripotente (blastocisto interno) puede formar cualquier tejido pero no el organismo entero. La diferenciación ocurre mediante expresión génica diferencial: todas las células conservan el genoma completo, pero cada tipo activa solo su propio subconjunto. Un gen puede producir varias proteínas mediante modificación postranscripcional — elección de empalme del pre-ARNm. El fenotipo final también refleja el entorno (la altura requiere tanto genes como nutrición) y, para muchos rasgos, múltiples genes actuando juntos (herencia poligénica que da variación continua).

2.5 2.6

Tejidos de transporte vegetal

Syllabus

Tema 4 afirmaciones 4.1-4.6 con Prácticas Centrales 7-8 (espec. pp.26-27): ultraestructura de la célula vegetal (pared celular de celulosa, plasmodesmos, cloroplastos, amiloplastos, vacúola); contraste entre la estructura del almidón y la celulosa frente a sus roles de almacenamiento y soporte; microfibrillas de celulosa y engrosamiento secundario que proporcionan resistencia a la tracción; vasos del xilema (lignificados, muertos, transporte de agua y soporte) y tubos cribosos del floema con células acompañantes (translocación); distribución en raíz, tallo y hoja; la Práctica Central 7 investiga la estructura de los tejidos vegetales y la Práctica Central 8 el transporte de agua (trabajo con potómetro).

Afirmaciones 4.7-4.13 (espec. pp.27-28): sostenibilidad de fibras vegetales y almidón; importancia del agua y los iones inorgánicos (nitrato para aminoácidos, calcio para estructura de pared y señalización, magnesio para clorofila); sustancias antimicrobianas y terapéuticas de plantas (Práctica Central 9 ensayos antimicrobianos); condiciones de crecimiento bacteriano; desarrollo de los ensayos de fármacos desde protocolos históricos hasta contemporáneos, incluyendo las fases de ensayo clínico.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Las células vegetales añaden una pared celular de celulosa unida a vecinas por plasmodesmos. Las cadenas de celulosa se agrupan en microfibrillas cuyo entrelazado cruzado otorga resistencia a la tracción; el engrosamiento secundario con lignina fortalece e impermeabiliza.

Tejido Construido a partir de Función
Xilema células huecas muertas, paredes lignificadas transporte de agua y minerales; soporte
Floema elementos de tubos cribosos vivos + células acompañantes translocación de azúcares
Secciones transversales esquemáticas: en la raíz, el xilema forma una estrella central con floema entre sus brazos; en el tallo, los haces vasculares disponen el floema fuera del xilema en un anillo.

El agua y los iones importan más allá de beber: el nitrato construye aminoácidos, el calcio cruza enlaces de pectina en paredes y señala dentro de las células, el magnesio reside en el centro de la clorofila — una escasez amarillea las hojas.

2.7

Midiendo la vida: clasificación y biodiversidad

Syllabus

Afirmaciones 4.14-4.18 (espec. p.28): clasificación que organiza la vida según características compartidas, con el sistema de tres dominios (Arquea, Bacteria, Eukarya) y evidencia de secuencias moleculares; riqueza de especies y cálculo del índice de diversidad (D) dentro de un hábitat; índice de heterocigosidad dentro de una especie; endemismo; amenazas a la biodiversidad. Los cálculos con la fórmula D se evalúan anualmente.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

La clasificación organiza la vida según características compartidas; el sistema de tres dominios (Bacterias, Arqueas, Eucarya) se basa en evidencia molecular — secuencias de ARN ribosomal — que reveló que las Arqueas están más cerca de nosotros que de las bacterias. Dentro de un hábitat, la diversidad tiene dos medidas:

  • Riqueza de especies — cuántas especies hay.
  • Índice de diversidad — $D = \dfrac{N(N-1)}{\sum n(n-1)}$, donde $N$ son todos los individuos y $n$ el recuento de cada especie. Un mayor $D$ indica mayor diversidad.

Comprobación resuelta. Hábitat A: 3 especies con recuentos 40, 35, 25 ($N = 100$). $D = 100 \times 99 / (40 \times 39 + 35 \times 34 + 25 \times 24) = 9900 / (1560 + 1190 + 600) = 9900/3350 = 2.96$. Hábitat B: 3 especies, recuentos 90, 6, 4: $D = 9900/(8010 + 30 + 12) = 1.23$. Misma riqueza, pero diferente equilibrio: $D$ revela lo que la riqueza no muestra.

Dentro de una misma especie, el índice de heterocigosis $H =$ (número de heterocigotos) $\div$ (número de individuos) mide la variabilidad genética. Una especie que no se encuentra en ningún otro lugar es endémica, y su hábitat insular la hace a la vez preciosa y frágil.

2.8

Nichos, Hardy-Weinberg y conservación

Syllabus

Afirmaciones 4.19-4.21 (espec. pp.28-29): concepto de nicho y ejemplos de adaptación (anatómica, fisiológica, conductual); ecuación de Hardy-Weinberg p^2 + 2pq + q^2 = 1 para frecuencias alélicas en una población y las condiciones que asume; evaluación de métodos de conservación en zoológicos y bancos de semillas, cría en cautiverio y corredores ecológicos.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Un nicho es la forma de vida de una especie: su rol, sus requisitos y sus tolerancias. Las adaptaciones aparecen en tres niveles — anatómico (pelo grueso), fisiológico (variantes enzimáticas) y conductual (temporales de migración).

La ecuación de Hardy-Weinberg sigue las frecuencias alélicas en una población grande, de apareamiento aleatorio, sin selección, migración ni mutación:

$$p^2 + 2pq + q^2 = 1$$

$q^2$ = frecuencia del genotipo homocigoto recesivo. Si el 4 % de la población muestra el fenotipo recesivo, entonces $q^2 = 0.04$, por lo tanto $q = 0.2$, $p = 0.8$, y los portadores representan $2pq = 0.32$.

Comprobación resuelta. De un total de 500 zorros, 45 son homocigotos recesivos: $q^2 = 0.09$, $q = 0.3$, $p = 0.7$. Los portadores esperados son $= 2pq \times 500 = 0.42 \times 500 = 210$.

Las preguntas de conservación requieren equilibrio. Los zoológicos y los bancos de semillas preservan especies contra la extinción y gestionan la reproducción en cautiverio, pero consumen espacio, pierden comportamientos naturales y benefician a pocos individuos; la protección de hábitats y los corredores ecológicos conservan la ecología a gran escala, pero requieren terreno, fondos y voluntad política. Evalúe el argumento específico, no solo la intención.

2.6

Cultivo y crecimiento de microbios

Syllabus

Afirmaciones 4.7-4.13 (espec. pp.27-28): sostenibilidad de fibras vegetales y almidón; importancia del agua y los iones inorgánicos (nitrato para aminoácidos, calcio para estructura de pared y señalización, magnesio para clorofila); sustancias antimicrobianas y terapéuticas de plantas (Práctica Central 9 ensayos antimicrobianos); condiciones de crecimiento bacteriano; desarrollo de los ensayos de fármacos desde protocolos históricos hasta contemporáneos, incluyendo las fases de ensayo clínico.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Para la microbiología aquí (y la Unidad 4): cultive bacterias en agar nutritivo o en caldo, usando técnica aséptica — esterilice bujías por flameado, flamee cuellos de botellas, trabaje cerca de una corriente ascendente, selle las placas e incube por debajo de la temperatura corporal para evitar el crecimiento de patógenos humanos. Cuente colonias en placas extendidas o vertidas (cada colonia proviene de una célula o grupo: unidades formadoras de colonias), cuente células con una hemocitómetro o siga la turbidez en caldo.

Curva de crecimiento microbiano en escala logarítmica: fase lag, exponencial (log), estacionaria y muerte.

Comprobación resuelta. En la fase exponencial, la constante de tasa de crecimiento $k = (\log_{10} N_t - \log_{10} N_0)/(0.301 \times t)$. De $1 \times 10^4$ a $4 \times 10^7$ células en 4 horas: diferencia $\log$ $= 3.602$, por lo tanto $k = 3.602/(0.301 \times 4) \approx 3.0$ divisiones por hora —aproximadamente un tiempo de generación de 20 minutos.

2.6

Compruébalo tú mismo

  1. Calcule el ancho real de un núcleo que aparece con 24 mm de ancho a ×4 000. Exprese su respuesta en µm.
  2. Nombre los dos procesos de la meiosis que generan variabilidad genética, y indique cuándo ocurre cada uno.
  3. Una célula contiene 2 u.a. de ADN en G1. Dibuje cómo cambia el contenido de ADN durante la fase S, la meiosis I y la meiosis II.
  4. Explique por qué todas las células de un blastocisto pueden convertirse en cualquier tejido, pero una célula muscular madura no puede.
  5. Explique dos formas en que el xilema está adaptado a su función, una estructural y una química.
  6. Dos hábitats contienen cada uno 5 especie vegetal. Explique por qué el índice de diversidad puede seguir siendo diferente entre ellos.
  7. En una población de 1 000, 16 personas presentan una condición recesiva. Calcule q, p y el número esperado de portadores.
  8. Una especie de caracol es endémica de una sola isla. Explique por qué las especies endémicas enfrentan un mayor riesgo de extinción.
  9. Enuncie tres condiciones que debe cumplir una población para que se cumpla la ecuación de Hardy-Weinberg.
  10. Mencione un beneficio y una limitación de los bancos de semillas en comparación con la protección del hábitat.

Respuestas: 1 $24\,000/4\,000 = 6\ \mu$m; 2 entrecruzamiento en profase I, assortimiento independiente en metafase/anafase I (y II); 3 aumenta a 4 en S, se reduce a la mitad a 2 después de la meiosis I, se reduce a la mitad a 1 después de la meiosis II, se restaura a 2 en la fecundación; 4 las células del blastocisto son pluripotentes — todos los genes aún pueden activarse/desactivarse; una célula muscular ha desactivado permanentemente otras vías bajo condiciones normales; 5 células muertas huecas y lignificadas forman columnas de agua continuas sin citoplasma para resistir el flujo; la lignina impermeabiliza y fortalece las paredes contra el colapso; 6 D pondera la uniformidad de la abundancia, no solo el recuento de especies; 7 $q^2 = 0.016$, $q \approx 0.126$, $p \approx 0.874$, portadores $2pq \approx 0.22$, aproximadamente 220 personas; 8 un evento local único (tormenta, enfermedad, depredador introducido, pérdida de hábitat) elimina toda la especie de golpe; 9 población grande, apareamiento aleatorio, sin selección/mutación/migración; 10 los bancos de semillas almacenan diversidad genética de forma económica y segura frente a la pérdida de hábitat (beneficio), pero las especies existen fuera de su ecología — sin interacciones, sin evolución in situ, y la recolonización es incierta (limitación).

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