Programa del Diploma del Bachillerato Internacional. Biología. Primera evaluación: 2016 Tema 1. Biología celular Subtema 1.1 Introducción a las células Idea fundamental: La evolución de los organismos multicelulares permitió la especialización celular y el reemplazo de células Aureliano Fernández. IES Martínez Montañés. Sevilla Imagen: http://archive.nlm.nih.gov/proj/ttp/flash/hooke/hooke.html PROPÓSITO DE LA SESIÓN Explicar que la evolución de los organismos multicelulares permitió la especialización celular y el reemplazo de células. Teoría celular Todos los organismos contienen una o más células que son capaces de realizar las actividades vitales que necesita el organismo. Estas células son la unidad básica de estructura en todos los organismos y también la unidad básica de reproducción. Todos los organismos vivos están compuestos por células. Los organismos multicelulares (ejemplo: humanos) están compuestos por muchas células, mientras que los organismos unicelulares (ejemplo: bacterias) están compuestos por una sola célula. Las células son la unidad de vida más pequeña. Son las estructuras más pequeñas capaces de sobrevivir por sí solas. Las células provienen de células preexistentes y no se pueden crear a partir de material inerte. Por ejemplo, nuevas células surgen de la división celular y un cigoto (la primera célula que se forma cuando se produce un organismo) surge de la fusión de un óvulo y un espermatozoide. Pruebas de la teoría celular http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CajalCerebellum.jpg • Ramón y Cajal (1852-1934). Descubre los mecanismos que gobiernan la morfología y las conexiones de las células nerviosas, una nueva y revolucionaria teoría que empezó a ser llamada la «doctrina de la neurona», basada en que el tejido cerebral está compuesto por células individuales. Santiago Ramón y Cajal, estudiante de medicina en Zaragoza 1876: http://es.wikipedia.org/wiki/Santiago_Ram%C3 %B3n_y_Cajal#mediaviewer/Archivo:Santiago_ Ram%C3%B3n_y_Cajal,_estudiante_de_medici na_en_Zaragoza_1876.jpg Estructura de los centros nerviosos de las aves (cerebelo). Ramón y Cajal, 1905. Dibujo del corte axial de la retina, por Cajal, publicado en su manual Histologie du Système Nerveux de l'Homme et des Vertébrés, en la edición francesa de 1911. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fig_retine.png http://www.youtube.com/watch?v=D3KdFOeHcz0&f eature=share&list=ULD3KdFOeHcz0 Desarrollo de la teoría celular Observación ➢ Las células se crean alrededor de núcleos. ➢ Todos los seres vivos están hechos de células. ➢ Las células son las unidades vivas más pequeñas. ➢ Las células proceden de otras células. ➢ La energía vital es la fuente de vida. ➢ La vida se genera espontáneamente. ➢ Observaciones microscópicas: ➢ Microscopios ópticos. ➢ Microscopios electrónicos de transmisión (TEM) y de barrido (SEM). ➢ Crecimiento de cultivos celulares. ➢ Experimentos de Pasteur. ➢ Doctrina de la neurona de Cajal. La teoría celular es un buen ejemplo de proceso científico Células del corcho observadas por Hooke Hipótesis Comprobación experimental Se obtienen pruebas Contradicen Corroboran ➢ Las células se crean alrededor de núcleos. ➢ La energía vital es la fuente de vida. ➢ La vida se genera espontáneamente. 2. Excepciones a la teoría celular Buscar tendencias y discrepancias: aunque la mayoría de los organismos se atienen a la teoría celular, también hay excepciones. (3.1) Una etapa inicial en la investigación científica es la búsqueda de tendencias y patrones generales que puedan conducir al desarrollo de una teoría. Una teoría científica es una manera de interpretar el mundo natural que nos permite hacer predicciones con carácter general. A veces se encuentran excepciones a la tendencia general que se denominan discrepancias. Los científicos tienen que juzgar si las discrepancias son frecuentes o no y si las predicciones derivadas de la teoría son útiles o por el contrario poco fiables. En este caso la teoría se desecha. La teoría celular es un ejemplo de que los científicos han buscado tendencias y discrepancias. Robert Hooke fue el primero en utilizar la palabra célula para designar las estructuras presentes en los organismos vivos. Lo hizo en 1665 después de examinar el corcho y otras partes de numerosas plantas: … “Nor is this kind of Texture peculiar to Cork only; for upon examination with my Microscope, I have found that the pith of an Elder, or almost any other Tree, the inner pulp or pith of the Cany hollow stalks of several other Vegetables: as of Fennel, Carrets, Daucus, Bur-docks, Teasels, Fearn, some kinds of Reeds, &c. have much such a kind of Schematisme, as I have lately shewn that of Cork, save onely that here the pores are rang'd the long-ways, or the same ways with the length of the Cane, whereas in Cork they are transverse.” … Discrepancias con la teoría celular http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3APenicillium.jpg Hifas de un hongo (micelio) Amoeba (Protista): • Una única célula es capaz de hacer todos los procesos vitales • Si sólo hay una célula, ¿podemos decir que Amoeba está formada por células? Fibras del músculo esquelético: • Estructuras filamentosas plurinucleadas • Muy largas (300 mm) Núcleos en rojo. Cada fibra muscular tiene muchos núcleos http://www.uaz.edu.mx/histo/Ham/hamd39.jpg Núcleos en rojo Septos incompletos http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AHYPHAE.png Hifas aseptadas en hongos: • Filamentos largos ramificados •Pared celular de quitina (no celulosa) sin septos que engloba: • Citoplasma continuo • Muchos núcleos Discrepancias con la teoría celular Virus: • ¿Son seres vivos o no? • ¿Son células o no? • Sólo se pueden reproducir cuando toman el control de la célula huésped. • Hay un cierto debate sobre los virus, ya que ellos no pueden realizar ninguna de las funciones vitales independientemente; ellos deben invadir a un hospedador y utilizar sus órganos celulares para sobrevivir. Se pueden considerar seres acelulares. Virófagos (virus Sputnik): • Partículas que se alimentan de otros virus • Apoya la idea de que los virus son seres vivos. http://www.nature.com/news/2008/080806/full/454677a.html Acetabularia mediterranea: • Alga gigante, puede llegar a los 100 mm de longitud • ¿Será pluricelular? • Tiene un solo núcleo en el pedicelo. Albert Kok en http://en.wikipedia.org/wiki/Acetabularia Discrepancias con la teoría celular Acetabularia mediterranea: • Alga gigante, puede llegar a los 100 mm de longitud • ¿Será pluricelular? • Tiene un solo núcleo en la zona de los rizoides. http://en.wikipedia.org/wiki/Acetabularia http://glaurung-quena.livejournal.com/2816.html 2 Citoplasma Se regenera el alga completa Rizoides Adaptado de http://l0squesaabemos.blogspot.com.es/ 3. Utilización del microscopio lumínico Utilización del microscopio lumínico para investigar la estructura de células y tejidos. https://microbewiki.kenyon.edu/images/a/a4/20090620_234935_Dinoflagellates_Ceratium.jpg Los microscopios permiten ver las células y sus estructuras gracias a su pequeño poder de resolución. 0,2 nm 0,2 μm 0,2 mm microscopio electrónico Microscopio electrónico de barrido http://commons.wikimedia.org/wiki/File:JEOL_JSM6340F.jpg#mediaviewer/Archivo:JEOL_JSM-6340F.jpg Microscopio óptico http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Optical_mic roscope_nikon_alphaphot_%2B.jpg#mediaviewer/Fil e:Optical_microscope_nikon_alphaphot_%2B.jpg Tipos de microscopios Microscopio óptico (para ver células vivas; hasta 1000x) Microscopio electrónico de barrido (SEM) Microscopio electrónico de transmisión (TEM) (para ver estructuras superficiales; hasta 1 000 000x) (para ver estructuras internas; hasta 1 000 000x) Paramecium visto con tres tipos de microscopios y el mismo número de aumentos: 300x Imágenes tomadas de Campbell essential biology with physiology, Pearson, 2013 El microscopio óptico compuesto o lumínico Aprenda los nombres de cada una de sus partes: • El microscopio compuesto posee dos juegos de lentes de aumento (sistema óptico): ocular y objetivo. Además tiene: • Asa y pie, por donde se coge el microscopio. • Tubo, que contiene el ocular en un extremo y el objetivo en el otro. • Revólver giratorio, con el juego de objetivos. • Pletina o platina, sobre la que se coloca la preparación a observar. • Pinzas, para sujetar la preparación, con o sin mecanismo de desplazamiento. • Tornillos de enfoque, micro y macrométrico. • Sistema de iluminación (espejo o lámpara) con diafragma y condensador. Distinga entre número de aumentos y poder de resolución: • Poder de definición o de resolución. Nitidez de la imagen o distancia mínima entre dos puntos que podemos apreciar separados. • Poder de ampliación o número de aumentos. Nº de veces que se amplía la imagen cuando la observamos a través del microscopio. Averigüe el número de aumentos de un microscopio: Cuando utilizamos el microscopio compuesto los aumentos los proporcionan las lentes: ocular y objetivo. Para calcular el número de aumentos (x) se multiplican los del ocular por los del objetivo que estemos usando. Objetivo seleccionado Aumentos del objetivo Aumentos del ocular Aumentos totales = nº aumentos del objetivo x nº aumentos del ocular Escaneado 4X 10X 40X Bajo poder 10X 10X 100X Alto poder 40X 10X 400X 4. Dibujo de células Dibujo de estructuras celulares tal como se ven en el microscopio óptico. 10μm Micrografía de una hoja de musgo (filoide) x750 10μm Escala gráfica Las barras de escala gráfica pueden ser una forma útil de indicar los tamaños reales en dibujos y micrografías. Para construir una escala gráfica es necesario acoplar un micrómetro al ocular del microscopio y calibrarlo, es decir conocer cuánto mide cada división de la escala. Ocular con retícula micrométrica Aumentos totales del microscopio Cada división pequeña del micrómetro mide X 40 X 100 X 400 25 μm 10 μm 2,5 μm 1. Por parejas, seleccionar dos muestras biológicas con las que trabajar entre las siguientes opciones, teñirlas y prepararlas según se indica en cada caso: Trabajo práctico: Observaciones microscópicas 1. Hoja de musgo Imágenes de Biology Course Companion 2014, OUP Seleccionar un musgo con hojas muy finas. Montar una hoja con una gota de agua o de azul de metileno. 4. Epidermis inferior de hoja 2. Célula de plátano Raspar una pequeña cantidad de tejido blando del fruto. Montar con una gota de solución de iodo. 5. Células de la mucosa bucal humana 3. Célula de hígado de mamífero Raspar la superficie de un hígado fresco (no congelado). Hacer un frotis sobre el porta y teñir con azul de metileno. cubre muestra Pelar la epidermis inferior de una hoja (el dibujo es de Valeriana). Montar con agua o con azul de metileno. Bajar el porta con cuidado Tinte o agua Apretar suavemente para sacar el exceso de fluido cubre Raspar el interior de la mejilla con un bastoncillo de algodón. Hacer un frotis y teñir con azul de metileno. Papel de filtro doblado porta Trabajo práctico: Observaciones microscópicas 2. 3. 4. 5. 6. • • • • • • Observar las dos preparaciones con el microscopio óptico, primero con pocos aumentos y después con más. Intentar interpretar lo observado identificando las partes de las células. Medir con un ocular micrométrico el tamaño de alguna célula (largo y ancho) Dibujar a mano las observaciones realizadas, indicar el número de aumentos y agregar una escala gráfica al dibujo. Si es posible, obtener una foto de la preparación. Elaborar un informe individual de la práctica que contenga los siguientes puntos: Título de la práctica. Componentes del grupo. Muestras seleccionadas. Material empleado (lista detallada). Método de preparación. Resultados obtenidos con los dibujos y fotos realizados y su interpretación. Trabajo práctico: Observaciones microscópicas Término de instrucción Dibujar con precisión Representar a lápiz por medio de un diagrama o un gráfico precisos y rotulados. Se debe utilizar la regla para las líneas rectas. Los diagramas se deben dibujar a escala. Dibujar es una manera útil de registrar las observaciones de las estructuras biológicas. No añadir detalles innecesarios como sombreados. Las observaciones microscópica se dibujan aumentadas con respecto al tamaño real, por lo que es conveniente añadir una escala gráfica. En un mismo dibujo todos los elementos deben estar dibujados a la misma escala. 1. Utilizar lápiz de punta dura para dibujar trazos limpios. 2. Unir los extremos de los trazos para formar líneas continuas. 3. Dibujar a mano alzada, pero usar una regla para las líneas de etiquetas. célula Mal Mal Bien Mal célula Bien Bien Imágenes de Biology Course Companion 2014, OUP Guía de Biología. IBO, 2014 Unidades básicas y derivadas utilizadas en Biología aceptadas por Sistema Internacional de Unidades (SI) Requisitos matemáticos y estadísticos: Manejo de unidades Repasa en http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades: 1. ¿Qué representa el siguiente gráfico?: 2. Completa la siguiente tabla con los símbolos de las unidades: Magnitud Unidades aceptadas Longitud metros, centímetros, milímetros Masa kilogramos, gramos Volumen decímetros cúbicos, centímetros cúbicos Capacidad litro, mililitro Concentración moles, milimoles Tiempo segundos, minutos Símbolos Requisitos matemáticos y estadísticos: Manejo de unidades 3. ¿Qué es el Sistema Internacional de Unidades (SI)? 4. Los símbolos de las unidades ¿son abreviaturas? ¿se les añade un punto? ¿se escriben con mayúsculas o minúsculas? ¿en plural o en singular? 5. ¿Cuáles de las siguientes unidades están bien escritas?: 5 Kg. 5 kgs 5 kg 5 k 5kgs. 5kg 2l 2L 2 Ml 2 mL 2mls. 2 ml Requisitos matemáticos y estadísticos: Manejo de unidades Cuando en tablas y gráficos registramos las medidas realizadas en un experimento (variables) hay que indicar siempre el concepto medido, separado por una barra inclinada de la unidad empleada (con espacios delante y detrás): volumen de gas liberado / cm3 Si hemos combinado dos medidas, se escribe primero el concepto, espacio+barra inclinada+espacio, la primera unidad, un espacio y la segunda unidad con exponente de signo negativo: velocidad / m s-1 cantidad de oxígeno liberado por minuto / cm3 min-1 Ejemplo: Día Ritmo cardíaco / latidos min-1 Masa del cuerpo / kg 0 70 66 2 80 64 6. Escribe dos ejemplos de medidas que requieran la combinación de dos unidades. Rango utilizado en Biología ¡Ojo con las unidades; en inglés utilizan la escala corta! http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades Requisitos matemáticos y estadísticos: Manejo de unidades Manejo de unidades de medida: múltiplos y submúltiplos Requisitos matemáticos y estadísticos: Manejo de unidades Manejo de unidades de longitud en microscopía: múltiplos y submúltiplos 6. Completa la siguiente tabla: Unidad kilómetro centímetro micrómetro (micra) Símbolo km 1 000 m m 1m mm 0,001 m μm 0,000 001 m Å 103 m 10-2 m cm nm angstrom Equivalencia 10-3 m 10-9 m 5. Cálculo de aumentos y tamaño real Uso de un microscopio óptico para investigar la estructura de células y tejidos y realización de dibujos de las células. Cálculo del número de aumentos de los dibujos y el tamaño real de las estructuras y ultraestructuras representadas en los dibujos o en micrografías (trabajo práctico 1). Conociendo el número de aumentos de la imagen ¿cuánto mide realmente esta célula? Conociendo la escala gráfica ¿cuántas veces hemos aumentado la cola de este espermatozoide Recomendaciones generales: 1) Convertir todas las unidades a la misma, en caso de que no lo estén. 2) Hacer los cálculos paso a paso. 3) Dar la respuesta en la unidad correcta del SI, utilizando la notación científica cuando sea necesario. 1) Calcular el número de aumentos de una imagen, midiendo su tamaño y conociendo el tamaño real Nº aumentos = Tamaño aparente del objeto Tamaño real del objeto La micrografía muestra una mitocondria. La longitud que medimos es 30 mm. Pero la mitocondria tiene un tamaño real de 3 μm. Determinar el número de aumentos de la imagen Convertimos los mm en μm 30 mm = 30000 μm Nº aumentos = 30000 μm 3 μm Nº aumentos = 10000 x = 10000 x 2) Conociendo el nº de aumentos de la imagen, calcular el tamaño real de un objeto Tamaño real = Tamaño aparente Nº aumentos Tamaño real = 450 mm 15000 Tamaño real = 30 μm = 0,03 mm Mitocondrias de células cardíacas del Murciélago marrón pequeño (Myotis lucifugus). X15 000 http://www.cellimagelibrary.org/images/7567 3) Conociendo la escala gráfica, calcular el nº de aumentos de una imagen Nº aumentos = Tamaño aparente Valor de la escala 1μm Nº aumentos = 30 mm 1 μm Nº aumentos = 30 000 x = 30000 μm 1 μm Mitocondrias de células cardíacas del Murciélago marrón pequeño (Myotis lucifugus) http://www.cellimagelibrary.org/images/7567 5) Conociendo la escala gráfica, calcular el tamaño real del objeto Tamaño aparente del objeto = 50 mm Valor de la escala gráfica = 20 μm Tamaño aparente de la escala gráfica = 18 mm Calculamos primero los aumentos de la escala gráfica y luego el tamaño real: Nº aumentos = Tamaño aparente de la escala Valor de la escala Nº aumentos = 18000 μm O también planteando una simple proporción directa: 18 mm 20 μm Tamaño aparente del objeto Nº aumentos Tamaño real = 50 mm 900 = x μm = 900 x 20 μm Tamaño real del objeto = = 50 mm 50000 μm 900 = 55,5 μm x= 50 mm x 20 μm 18 mm = 55,5 μm 1. Un estudiante ve una imagen de una célula ampliada 350 veces. La imagen mide 250 mm de longitud. ¿Cuál es el tamaño real de la célula? Si no lo tienes claro, dibuja la célula … Tamaño real = Tamaño aparente Nº aumentos = 250 mm / 350 = 0,71 mm* *Pero, ¿no es una unidad un poco grande para una célula? = 710 μm 2. La cola de un espermatozoide mide 50 μm de longitud. Un estudiante la dibuja midiendo 7,5 mm. ¿Cuál es el número de aumentos? Si no lo tienes claro, haz un dibujo … Nº aumentos = Tamaño aparente Valor de la escala Convertimos mm en μm 75 mm = 75000 μm Nº aumentos = 75000/ 50 = 1500 x Resuelve las siguientes preguntas extraídas de exámenes anteriores del BI Actividad: “Resolución de preguntas de examen” 1 a. Determine el número de aumentos de la cadena de células de la bacteria Thiomargarita si la escala gráfica representa 0,2 mm. [3 puntos] b. Determine el ancho de la cadena de células. [2 puntos] 2 En la imagen la longitud real de la mitocondria es de 8 μm. a. Determine el número de aumentos de esta micrografía electrónica [2] b. Calcule cuánto debería medir una escala gráfica (barra) de 5 μm insertada en esta imagen [2] c. Determine la anchura de la mitocondria [2] Trabajo práctico: “Medicones en microscopía” Cálculo del número de aumentos de los dibujos y el tamaño real de las estructuras y ultraestructuras representadas en los dibujos o en micrografías 1. 2. ¿Cuántos aumentos tiene esta imagen de una célula de Elodea (planta acuática) en la que podemos observar los cloroplastos? Explica los cálculos paso a paso. ¿Cuánto mide en la realidad la célula de ancho y de largo? Explícalo de nuevo paso a paso. Trabajo práctico: “Medicones en microscopía” 3. En la dirección http://www.dartmouth.edu/~emlab/ gallery/ encontrarás numerosas imágenes obtenidas con microscopio electrónico de células, tejidos y organismos. Casi todas ellas tienen una escala gráfica al pie. Selecciona dos imágenes y descárgalas. Sobre la pantalla del ordenador y utilizando algún programa de dibujo marca dos elementos de la imagen que quieras medir. Mídelos con una regla sobre la misma pantalla y anota junto a ellos el tamaño real. 1,7 μm 1,5 μm 3,2 μm 0,6 μm 4. Elabora un informe con los tres apartados del trabajo realizado, ilustrándolos siempre con imágenes. En el tercer apartado incluye una descripción del contenido de las imágenes seleccionadas y las dos capturas en las que se vea la escala gráfica de la foto y las mediciones efectuadas.