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3.1: Tallos - Biología

3.1: Tallos - Biología


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Los tallos son producidos por el meristemo apical primario en, pero pueden aumentar en circunferencia en plantas leñosas debido al crecimiento secundario. El crecimiento secundario es producido por meristemos laterales en los tallos leñosos y las raíces de las plantas leñosas.

El xilema secundario y el floema secundario se producen a partir de un cilindro de tejido meristemático dentro de los tallos y raíces leñosos. Este cilindro de tejido meristemático es el cambium vascular. El xilema secundario proporciona soporte estructural adicional y tejido de conducción de agua adicional en arbustos y árboles. El floema secundario reemplaza al floema primario.

De manera similar, a medida que el tronco de una planta leñosa se hace más grande, el tejido dérmico debe expandirse y reemplazarse. El cambium de corcho, que se encuentra debajo de la corteza, produce tejido dérmico nuevo.


Programa de estudios de Biología y Química del Cabo

Fisión binaria: la división de una celda en dos. Ejemplo de procariotas (bacterias)

NÓTESE BIEN NO mitosis porque el ADN en las bacterias es circular sin producción de fibras del huso, pero el ADN se replica por replicación semiconservadora

  • réplicas de cromosomas circulares
  • dos cromosomas separados
  • dos nuevas membranas celulares desde el medio de la celda
  • El material de la pared celular se forma entre las nuevas membranas.
  • la celda permanece unida por un tiempo y luego se divide

  • replicación de cromosomas lineales
  • el núcleo comienza a dividirse por mitosis
  • Aparece una pequeña hinchazón en el lado de la célula que forma un brote
  • un núcleo hijo entra en la yema
  • el capullo permanece adherido por un tiempo y luego se rompe dejando la cicatriz del autobús en la célula madre
  • hifas conocidas como esporangióforos crecen en el aire
  • la punta de los esporangióforos se hincha para formar esporangios
  • Los núcleos haploides se mueven de hifas a esporangios y se dividen por mitosis.
  • El citoplasma se forma alrededor de un grupo de varios núcleos para formar una espora.
  • una pared alrededor de cada espora
  • cuando las esporas están maduras, el esporangio se abre y las esporas se secan y son arrastradas por las corrientes de aire
  • Una cadena única corta de células crece en longitud.
  • cualquier célula de la cadena se agranda y se divide por mitosis
  • Se forman nuevos filamentos cuando se desarrollan líneas de debilidad entre las células y luego, cuando se produce una alteración en los filamentos, se rompen.
  • reproducirse sexualmente al permitir que un brazo o parte de un brazo se rompa
  • padre crece un brazo nuevo para reemplazar el perdido
  • la parte que se rompió se convirtió en un nuevo individuo

Ejemplos de reproducción asexual en plantas. Ejemplo de jengibre

El jengibre se reproduce utilizando tallos subterráneos llamados rizomas.


Si se rompe un trozo de rizoma, una nueva planta puede crecer a partir de los brotes que se encuentran a lo largo del rizoma. Las raíces del rizoma son adventicias porque crecen directamente de un tallo.


Brotes: un grupo de células que pueden experimentar mitosis para crecer.

Meristemos: un área de una planta que tiene una colección de células meristemáticas. p.ej. en las puntas de las raíces y los tallos


Recursos interactivos para escuelas

Células eucariotas

Células que componen animales, plantas, hongos y protistas. Son sacos tridimensionales unidos a la membrana que contienen citoplasma, un núcleo y una variedad de orgánulos unidos a la membrana.

Procariota

Un organismo unicelular que carece de un núcleo unido a la membrana o de cualquier otro orgánulo unido a la membrana.

Núcleo

Parte de una célula que controla la función celular y contiene los cromosomas.

Hongos

Los hongos (hongo singular) son unicelulares, como en las levaduras, o multicelulares, como en los hongos, hongos venenosos y mohos. Los hongos tienen núcleo, citoplasma y pared celular.

Células y orgánulos celulares

Las células tienen una enorme variedad de formas y formas, pero hay dos tipos principales de células: células eucariotas y células procariotas.

Células y orgánulos celulares

Los organismos eucariotas incluyen animales, hongos y plantas. Casi todas las células eucariotas tienen algunas características en común. Son sacos tridimensionales unidos a la membrana que contienen citoplasma, un núcleo y una variedad de orgánulos unidos a la membrana. La membrana que rodea las células eucariotas y los orgánulos es una estructura muy importante. Se dan más detalles en la página 4 de este recurso.

Las micrografías electrónicas de barrido pueden darle una idea de la forma 3D de las células, mientras que las micrografías electrónicas de transmisión proporcionan detalles sobre la estructura de los orgánulos.

Micrografías electrónicas de barrido (izquierda) y transmisión (derecha) de células (Imagen cortesía de CC0 1.0)

Células animales

El protoplasma de las células animales contiene orgánulos que son comunes a la mayoría de las células. Haga clic en el diagrama a continuación para obtener más información sobre algunos de ellos.


3.1 Síntesis de macromoléculas biológicas

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cómo se sintetizan los polímeros de macromoléculas complejas a partir de monómeros?
  • ¿Cuál es la diferencia entre la deshidratación (o condensación) y las reacciones de hidrólisis?

Conexión para cursos AP ®

Los organismos vivos necesitan alimentos para sobrevivir, ya que contienen nutrientes críticos en forma de macromoléculas biológicas. Estas grandes moléculas están compuestas principalmente de seis elementos: azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno, carbono e hidrógeno (SPONCH), en diferentes cantidades y disposiciones. Los polímeros complejos se forman a partir de combinaciones de monómeros más pequeños mediante síntesis por deshidratación, una reacción química en la que se elimina una molécula de agua entre dos monómeros de enlace. (Piense en un tren: cada vagón, incluido el furgón de cola, representa un monómero y todo el tren es un polímero). Durante la digestión, los polímeros se pueden descomponer por hidrólisis o la adición de agua. Tanto las reacciones de deshidratación como de hidrólisis en las células son catalizadas por enzimas específicas. Las reacciones de deshidratación generalmente requieren una inversión de energía para la formación de nuevos enlaces, mientras que las reacciones de hidrólisis generalmente liberan energía que se puede usar para impulsar los procesos celulares. Las cuatro categorías de macromoléculas son carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. La evidencia apoya la afirmación de los científicos de que los precursores orgánicos de estas moléculas biológicas estaban presentes en la Tierra primitiva.

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos y los objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 1 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los objetivos de aprendizaje enumerados en el marco curricular proporcionan una base transparente para el curso de biología AP ®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®. Un objetivo de aprendizaje fusiona el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 1 El proceso de evolución impulsa la diversidad y la unidad de la vida.
Comprensión duradera 1.D El origen de los sistemas vivos se explica por procesos naturales.
Conocimiento esencial 1.D.1 Hay varias hipótesis sobre el origen natural de la vida en la Tierra, cada una con evidencia científica que las respalda.
Práctica de la ciencia 1.2 El estudiante puede hacer afirmaciones y predicciones sobre fenómenos naturales basados ​​en teorías y modelos científicos.
Objetivo de aprendizaje 1.27 El alumno es capaz de describir una hipótesis científica sobre el origen de la vida en la Tierra.
Conocimiento esencial 1.D.1 Hay varias hipótesis sobre el origen natural de la vida en la Tierra, cada una con evidencia científica que las respalda.
Práctica de la ciencia 3.3 El alumno puede evaluar cuestiones científicas.
Objetivo de aprendizaje 1.28 El alumno es capaz de evaluar cuestiones científicas basadas en hipótesis sobre el origen de la vida en la Tierra.

Apoyo a los profesores

Enfatice a la clase que las macromoléculas se producen a través de la síntesis por deshidratación y se separan mediante hidrólisis. Como implican los nombres, el agua está involucrada en ambos casos.

Síntesis de deshidratación

Como ha aprendido, las macromoléculas biológicas son moléculas grandes, necesarias para la vida, que se construyen a partir de moléculas orgánicas más pequeñas. Hay cuatro clases principales de macromoléculas biológicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), cada una de las cuales es un componente celular importante y realiza una amplia gama de funciones. Combinadas, estas moléculas constituyen la mayor parte de la masa seca de una célula (recuerde que el agua constituye la mayor parte de su masa completa). Las macromoléculas biológicas son orgánicas, lo que significa que contienen carbono. Además, pueden contener hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y elementos menores adicionales.

La mayoría de las macromoléculas están hechas de subunidades únicas, o bloques de construcción, llamados monómeros. Los monómeros se combinan entre sí mediante enlaces covalentes para formar moléculas más grandes conocidas como polímeros. Al hacerlo, los monómeros liberan moléculas de agua como subproductos. Este tipo de reacción se conoce como síntesis de deshidratación, que significa "juntarse mientras se pierde agua".

Apoyo a los profesores

Explique que cuando algo se deshidrata, se le quita el agua. Identifique el hidrógeno específico y el grupo hidroxilo específico en los modelos o ilustraciones que se eliminan de dos monómeros para hacer el agua. El átomo de oxígeno restante se utiliza para unir los dos monómeros.

La hidrólisis es la división o lisis de un enlace entre monómeros dentro de un polímero, utilizando agua. Explique que las dos partes de agua, el átomo de hidrógeno y el grupo hidroxilo, se agregan a los monómeros después de la separación del polímero, con el resultado de que cada una tiene un grupo hidroxilo donde se encuentra la molécula de oxígeno que los une.

Pregunte a los estudiantes qué fue primero, ¿químicos biológicos o células intactas? Luego, analice los experimentos de Miller y Urey. Pueden intentar explicar cómo se podrían crear estas complejas macromoléculas en ausencia de vida. Las moléculas resultantes flotaron en la atmósfera y finalmente cayeron en los océanos primitivos, luego probablemente se incorporaron a las células primitivas.

En una reacción de síntesis por deshidratación (Figura 3.2), el hidrógeno de un monómero se combina con el grupo hidroxilo de otro monómero, liberando una molécula de agua. Al mismo tiempo, los monómeros comparten electrones y forman enlaces covalentes. A medida que se unen monómeros adicionales, esta cadena de monómeros repetidos forma un polímero. Se pueden combinar diferentes tipos de monómeros en muchas configuraciones, dando lugar a un grupo diverso de macromoléculas. Incluso un tipo de monómero puede combinarse de diversas formas para formar varios polímeros diferentes: por ejemplo, los monómeros de glucosa son los constituyentes del almidón, el glucógeno y la celulosa.

Hidrólisis

Los polímeros se descomponen en monómeros en un proceso conocido como hidrólisis, que significa "dividir con agua". La hidrólisis es una reacción en la que se usa una molécula de agua durante la descomposición de otro compuesto (Figura 3.3). Durante estas reacciones, el polímero se divide en dos componentes: una parte gana un átomo de hidrógeno (H +) y la otra gana una molécula de hidroxilo (OH–) a partir de una molécula de agua dividida.

Las reacciones de deshidratación e hidrólisis son catalizadas o "aceleradas" por enzimas específicas. Las reacciones de deshidratación implican la formación de nuevos enlaces, que requieren energía, mientras que las reacciones de hidrólisis rompen enlaces y liberan energía. Estas reacciones son similares para la mayoría de las macromoléculas, pero cada reacción de monómero y polímero es específica para su clase. Por ejemplo, en nuestros cuerpos, los alimentos se hidrolizan o descomponen en moléculas más pequeñas por las enzimas catalíticas del sistema digestivo. Esto permite una fácil absorción de nutrientes por las células del intestino. Cada macromolécula se descompone mediante una enzima específica. Por ejemplo, los carbohidratos se descomponen mediante amilasa, sacarasa, lactasa o maltasa. Las proteínas son degradadas por las enzimas pepsina y peptidasa y por el ácido clorhídrico. Los lípidos son degradados por las lipasas. La descomposición de estas macromoléculas proporciona energía para las actividades celulares.

Enlace al aprendizaje

Visite este sitio para ver representaciones visuales de la síntesis y la hidrólisis de la deshidratación.


Contenido

En 1925, Louis de Broglie teorizó por primera vez las propiedades ondulantes de un electrón, con una longitud de onda sustancialmente más pequeña que la luz visible. [2] Esto permitiría el uso de electrones para obtener imágenes de objetos mucho más pequeños que el límite de difracción anterior establecido por la luz visible. El primer STEM fue construido en 1938 por el barón Manfred von Ardenne, [3] [4] trabajando en Berlín para Siemens. Sin embargo, en ese momento los resultados eran inferiores a los de la microscopía electrónica de transmisión, y von Ardenne solo pasó dos años trabajando en el problema. El microscopio fue destruido en un ataque aéreo en 1944, y von Ardenne no volvió a su trabajo después de la Segunda Guerra Mundial. [5]

La técnica no se desarrolló más hasta la década de 1970, cuando Albert Crewe de la Universidad de Chicago desarrolló la pistola de emisión de campo [6] y agregó una lente de objetivo de alta calidad para crear un STEM moderno. Demostró la capacidad de obtener imágenes de átomos utilizando un detector de campo oscuro anular. Crewe y sus colaboradores de la Universidad de Chicago desarrollaron la fuente de electrones de emisión de campo frío y construyeron un STEM capaz de visualizar átomos pesados ​​individuales en sustratos de carbono delgados. [7]

A finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, las mejoras en la tecnología STEM permitieron obtener imágenes de muestras con una resolución mejor que 2 Å, lo que significa que la estructura atómica se podía obtener en algunos materiales. [8]

Corrección de aberraciones Editar

La adición de un corrector de aberraciones a los STEM permite que las sondas de electrones se enfoquen a diámetros inferiores a ångström, lo que permite adquirir imágenes con una resolución inferior a ångström. Esto ha hecho posible identificar columnas atómicas individuales con una claridad sin precedentes. STEM con corrección de aberraciones se demostró con una resolución de 1,9 Å en 1997 [9] y poco después en 2000 con una resolución de aproximadamente 1,36 Å. [10] Desde entonces, se han desarrollado STEM avanzados con corrección de aberraciones con una resolución inferior a 50 pm. [11] STEM con corrección de aberraciones proporciona la resolución adicional y la corriente de haz críticas para la implementación del mapeo espectroscópico químico y elemental de resolución atómica.

Los microscopios electrónicos de transmisión de barrido se utilizan para caracterizar la estructura a escala nanométrica y atómica de las muestras, lo que proporciona información importante sobre las propiedades y el comportamiento de los materiales y las células biológicas.

Ciencia de los materiales Editar

Se ha aplicado microscopía electrónica de transmisión de barrido para caracterizar la estructura de una amplia gama de muestras de materiales, incluidas células solares, [12] dispositivos semiconductores, [13] óxidos complejos, [14] baterías, [15] pilas de combustible, [16] catalizadores. , [17] y materiales 2D. [18]

Biología Editar

La primera aplicación de STEM para la obtención de imágenes de moléculas biológicas se demostró en 1971. [19] La ventaja de la obtención de imágenes STEM de muestras biológicas es el alto contraste de las imágenes anulares de campo oscuro, que pueden permitir la obtención de imágenes de muestras biológicas sin necesidad de tinción. . STEM se ha utilizado ampliamente para resolver una serie de problemas estructurales en biología molecular. [20] [21] [22]

Campo oscuro anular Editar

En el modo de campo oscuro anular, las imágenes están formadas por electrones dispersos que inciden en un detector anular, que se encuentra fuera de la trayectoria del haz transmitido directamente. Mediante el uso de un detector ADF de alto ángulo, es posible formar imágenes de resolución atómica donde el contraste de una columna atómica está directamente relacionado con el número atómico (imagen de contraste Z). [23] Las imágenes de contraste Z directamente interpretables hacen que las imágenes STEM con un detector de ángulo alto sea una técnica atractiva en contraste con la microscopía electrónica de alta resolución convencional, en la que los efectos de contraste de fase significan que las imágenes de resolución atómica deben compararse con simulaciones para ayudar a la interpretación.

Edición de campo claro

En STEM, los detectores de campo brillante se encuentran en el camino del haz de electrones transmitido. Los detectores axiales de campo brillante están ubicados en el centro del cono de iluminación del haz transmitido y, a menudo, se utilizan para proporcionar imágenes complementarias a las obtenidas por imágenes ADF. [24] Los detectores anulares de campo brillante, ubicados dentro del cono de iluminación del haz transmitido, se han utilizado para obtener imágenes de resolución atómica en las que las columnas atómicas de elementos ligeros como el oxígeno son visibles. [25]

Contraste de fase diferencial Editar

El contraste de fase diferencial (DPC) es un modo de imagen que depende de que el haz sea desviado por campos electromagnéticos. En el caso clásico, los electrones rápidos en el haz de electrones son desviados por la fuerza de Lorentz, como se muestra esquemáticamente para un campo magnético en la figura de la izquierda. El electrón rápido con carga −1 e que pasa a través de un campo eléctrico. mi y un campo magnético B experimenta una fuerza F:

Para un campo magnético, esto se puede expresar como la cantidad de deflexión del haz experimentada por el electrón, βL : [26]

La obtención de imágenes de la mayoría de los materiales ferromagnéticos requiere que la corriente en la lente del objetivo del STEM se reduzca a casi cero. Esto se debe a que la muestra reside dentro del campo magnético de la lente del objetivo, que puede ser de varios Tesla, lo que para la mayoría de los materiales ferromagnéticos destruiría cualquier estructura de dominio magnético. [29] Sin embargo, apagar la lente del objetivo casi aumenta drásticamente la cantidad de aberraciones en la sonda STEM, lo que lleva a un aumento en el tamaño de la sonda y una reducción en la resolución. Mediante el uso de un corrector de aberraciones de la sonda es posible obtener una resolución de 1 nm. [30]

Detectores universales (4D STEM) Editar

Recientemente, se han desarrollado detectores para STEM que pueden registrar un patrón de difracción de electrones de haz convergente completo de todos los electrones dispersos y no dispersos en cada píxel en un escaneo de la muestra en un gran conjunto de datos de cuatro dimensiones (un patrón de difracción 2D registrado en cada sonda 2D posición). [31] Debido a la naturaleza tetradimensional de los conjuntos de datos, el término "4D STEM" se ha convertido en un nombre común para esta técnica. [32] [33] Los conjuntos de datos 4D generados con la técnica se pueden analizar para reconstruir imágenes equivalentes a las de cualquier geometría de detector convencional, y se pueden utilizar para mapear campos en la muestra con alta resolución espacial, incluida información sobre deformaciones y campos eléctricos. . [34] La técnica también se puede utilizar para realizar una pticografía.

Espectroscopia de pérdida de energía de electrones Editar

A medida que el haz de electrones atraviesa la muestra, algunos electrones del haz pierden energía a través de interacciones de dispersión inelástica con los electrones de la muestra. En la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), la energía perdida por los electrones en el haz se mide utilizando un espectrómetro de electrones, lo que permite identificar características como plasmones y bordes de ionización elemental. La resolución de energía en EELS es suficiente para permitir que se observe la estructura fina de los bordes de ionización, lo que significa que EELS se puede utilizar para mapeo químico, así como para mapeo elemental. [35] En STEM, EELS se puede utilizar para mapear espectroscópicamente una muestra a resolución atómica. [36] Los monocromadores desarrollados recientemente pueden lograr una resolución energética de

10 meV en EELS, lo que permite adquirir espectros vibracionales en STEM. [37]

Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía Editar

En la espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX) o (EDXS), que también se conoce en la literatura como espectroscopia dispersiva de energía de rayos X (EDS) o (XEDS), se utiliza un espectrómetro de rayos X para detectar la característica X -rayos que son emitidos por átomos en la muestra cuando son ionizados por electrones en el haz. En STEM, EDX se usa típicamente para análisis de composición y mapeo elemental de muestras. [38] Los detectores de rayos X típicos para microscopios electrónicos cubren solo un pequeño ángulo sólido, lo que hace que la detección de rayos X sea relativamente ineficaz, ya que los rayos X se emiten desde la muestra en todas direcciones. Sin embargo, recientemente se han desarrollado detectores que cubren grandes ángulos sólidos, [39] e incluso se ha logrado el mapeo de rayos X con resolución atómica. [40]

La difracción de electrones de haz convergente (CBED) es una técnica STEM que proporciona información sobre la estructura cristalina en un punto específico de una muestra. En CBED, el ancho del área de donde se adquiere un patrón de difracción es igual al tamaño de la sonda utilizada, que puede ser menor que 1 Å en un STEM con corrección de aberración (ver arriba). CBED se diferencia de la difracción de electrones convencional en que los patrones CBED consisten en discos de difracción, en lugar de manchas. El ancho de los discos CBED está determinado por el ángulo de convergencia del haz de electrones. Otras características, como las líneas Kikuchi, a menudo son visibles en los patrones CBED. CBED se puede utilizar para determinar los grupos de puntos y espacios de una muestra. [41]

La microscopía electrónica ha acelerado la investigación en ciencia de materiales al cuantificar propiedades y características de imágenes de resolución nanométrica con STEM, que es crucial para observar y confirmar factores, como la deposición de películas delgadas, el crecimiento de cristales, la formación de estructuras superficiales y el movimiento de dislocaciones. Hasta hace poco, la mayoría de los trabajos han inferido las propiedades y comportamientos de los sistemas materiales basados ​​en estas imágenes sin poder establecer reglas rigurosas sobre lo que se observa exactamente. Las técnicas que han surgido como resultado del interés en la microscopía electrónica de transmisión de barrido cuantitativo (QSTEM) cierran esta brecha al permitir a los investigadores identificar y cuantificar características estructurales que solo son visibles utilizando imágenes de alta resolución en un STEM. Las técnicas de procesamiento de imágenes ampliamente disponibles se aplican a imágenes de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF) de columnas atómicas para ubicar con precisión sus posiciones y las constantes de celosía del material. Esta ideología se ha utilizado con éxito para cuantificar propiedades estructurales, como la deformación y el ángulo de unión, en interfaces y complejos de defectos. QSTEM permite a los investigadores ahora comparar los datos experimentales con simulaciones teóricas tanto cualitativa como cuantitativamente. Estudios recientes publicados han demostrado que QSTEM puede medir propiedades estructurales, como distancias interatómicas, distorsiones de celosía de defectos puntuales y ubicaciones de defectos dentro de una columna atómica, con alta precisión. QSTEM también se puede aplicar a patrones de difracción de área seleccionados y patrones de difracción de haz convergente para cuantificar el grado y los tipos de simetría presentes en una muestra. Dado que cualquier investigación de materiales requiere estudios de relación estructura-propiedad, esta técnica es aplicable a innumerables campos. Un estudio notable es el mapeo de las intensidades de las columnas atómicas y los ángulos de enlace interatómicos en un sistema mott-aislante. [42] Este fue el primer estudio que mostró que la transición del estado aislante al conductor se debió a una leve disminución global en la distorsión, que se concluyó mapeando los ángulos de enlace interatómicos en función de la concentración de dopante. Este efecto no es visible para el ojo humano en una imagen a escala atómica estándar habilitada por imágenes HAADF, por lo que este importante hallazgo solo fue posible gracias a la aplicación de QSTEM.

El análisis QSTEM se puede lograr utilizando software y lenguajes de programación comunes, como MatLab o Python, con la ayuda de cajas de herramientas y complementos que sirven para acelerar el proceso. Este es un análisis que se puede realizar prácticamente en cualquier lugar. En consecuencia, el mayor obstáculo es adquirir un microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones y alta resolución que pueda proporcionar las imágenes necesarias para proporcionar una cuantificación precisa de las propiedades estructurales a nivel atómico. La mayoría de los grupos de investigación universitarios, por ejemplo, requieren permiso para usar estos microscopios electrónicos de alta gama en las instalaciones de los laboratorios nacionales, lo que requiere un compromiso de tiempo excesivo. Los desafíos universales implican principalmente acostumbrarse al lenguaje de programación deseado y escribir software que pueda abordar los problemas muy específicos de un sistema de materiales dado. Por ejemplo, uno puede imaginar cómo una técnica de análisis diferente, y por lo tanto un algoritmo de procesamiento de imágenes separado, es necesaria para estudiar estructuras monoclínicas cúbicas ideales versus complejas.

Los portamuestras especializados o las modificaciones al microscopio pueden permitir la realización de una serie de técnicas adicionales en STEM. A continuación se describen algunos ejemplos.

Tomografía STEM Editar

La tomografía STEM permite reconstruir la estructura tridimensional interna y externa completa de una muestra a partir de una serie de inclinación de imágenes de proyección 2D de la muestra adquirida en inclinaciones incrementales. [43] ADF STEM de ángulo alto es un modo de imagen particularmente útil para tomografía electrónica porque la intensidad de las imágenes ADF-STEM de ángulo alto varía solo con el espesor de masa proyectado de la muestra y el número atómico de átomos en la muestra. Esto produce reconstrucciones tridimensionales altamente interpretables. [44]

Cryo-STEM Editar

La microscopía crioelectrónica en STEM (Cryo-STEM) permite que las muestras se mantengan en el microscopio a temperaturas de nitrógeno líquido o helio líquido. Esto es útil para obtener imágenes de muestras que serían volátiles en alto vacío a temperatura ambiente. Cryo-STEM se ha utilizado para estudiar muestras biológicas vitrificadas, [45] interfaces sólido-líquido vitrificadas en muestras de material, [46] y muestras que contienen azufre elemental, que es propenso a la sublimación en microscopios electrónicos a temperatura ambiente. [47]

STEM in situ / ambiental Editar

Para estudiar las reacciones de partículas en ambientes gaseosos, un STEM puede modificarse con una cámara de muestra bombeada diferencialmente para permitir el flujo de gas alrededor de la muestra, mientras que se utiliza un soporte especializado para controlar la temperatura de reacción. [48] ​​Alternativamente, se puede usar un soporte montado con una celda de flujo de gas cerrada. [49] Las nanopartículas y las células biológicas se han estudiado en entornos líquidos utilizando microscopía electrónica en fase líquida [50] en STEM, lo que se logra mediante el montaje de un recinto de microfluidos en el portamuestras. [51] [52] [53]

STEM de bajo voltaje Editar

Un microscopio electrónico de bajo voltaje (LVEM) es un microscopio electrónico que está diseñado para funcionar a voltajes de aceleración de electrones relativamente bajos de entre 0,5 y 30 kV. Algunos LVEM pueden funcionar como SEM, TEM y STEM en un solo instrumento compacto. El uso de un voltaje de haz bajo aumenta el contraste de la imagen, lo cual es especialmente importante para las muestras biológicas. Este aumento de contraste reduce significativamente, o incluso elimina, la necesidad de teñir muestras biológicas. Son posibles resoluciones de unos pocos nm en los modos TEM, SEM y STEM. La baja energía del haz de electrones significa que los imanes permanentes se pueden usar como lentes y, por lo tanto, se puede usar una columna en miniatura que no requiere enfriamiento. [54] [55]


AP Biology 3.1 - Preparación rápida para pruebas

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Quién debe usar: Este recurso está destinado a ser una herramienta para que los maestros o los padres mejoren un plan de estudios de biología. Sin embargo, ¡los estudiantes definitivamente pueden usar los QTP por su cuenta para prepararse para la gran prueba!

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Contenido

Botánica temprana Editar

Existe evidencia de que los humanos usaron plantas hace 10,000 años en el valle del río Little Tennessee, generalmente como leña o alimento. [6] La botánica se originó como herboristería, el estudio y uso de plantas por sus propiedades medicinales. [7] La ​​historia temprana registrada de la botánica incluye muchos escritos antiguos y clasificaciones de plantas. Se han encontrado ejemplos de trabajos botánicos tempranos en textos antiguos de la India que datan de antes del 1100 a. C., [8] [9] Antiguo Egipto, [10] en escritos arcaicos de Avestan y en obras de China supuestamente anteriores al 221 a. C. [8] [11]

La botánica moderna tiene sus raíces en la antigua Grecia específicamente en Teofrasto (c. 371-287 a. C.), un estudiante de Aristóteles que inventó y describió muchos de sus principios y es ampliamente considerado en la comunidad científica como el "padre de la botánica". [12] Sus obras principales, Investigación en plantas y Sobre las causas de las plantas, constituyen las aportaciones más importantes a la ciencia botánica hasta la Edad Media, casi diecisiete siglos después. [12] [13]

Otro trabajo de la antigua Grecia que tuvo un impacto temprano en la botánica es De Materia Medica, una enciclopedia de cinco volúmenes sobre la medicina herbal escrita a mediados del siglo I por el médico y farmacólogo griego Pedanius Dioscórides. De Materia Medica fue ampliamente leído durante más de 1.500 años. [14] Importantes contribuciones del mundo musulmán medieval incluyen a Ibn Wahshiyya Agricultura nabatea, Abū Ḥanīfa Dīnawarī (828–896) el Libro de Plantas, y de Ibn Bassal La clasificación de suelos. A principios del siglo XIII, Abu al-Abbas al-Nabati e Ibn al-Baitar (m. 1248) escribieron sobre botánica de manera sistemática y científica. [15] [16] [17]

A mediados del siglo XVI, se fundaron jardines botánicos en varias universidades italianas. El jardín botánico de Padua en 1545 generalmente se considera el primero que todavía se encuentra en su ubicación original. Estos jardines continuaron el valor práctico de los "jardines físicos" anteriores, a menudo asociados con los monasterios, en los que se cultivaban plantas para uso médico. Apoyaron el crecimiento de la botánica como asignatura académica. Se impartieron conferencias sobre las plantas cultivadas en los jardines y se demostraron sus usos médicos. Los jardines botánicos llegaron mucho más tarde al norte de Europa. El primero en Inglaterra fue el Jardín Botánico de la Universidad de Oxford en 1621. Durante todo este período, la botánica permaneció firmemente subordinada a la medicina. [18]

El médico alemán Leonhart Fuchs (1501-1566) fue uno de "los tres padres alemanes de la botánica", junto con el teólogo Otto Brunfels (1489-1534) y el médico Hieronymus Bock (1498-1554) (también llamado Hieronymus Tragus). [19] [20] Fuchs y Brunfels rompieron con la tradición de copiar obras anteriores para hacer sus propias observaciones originales. Bock creó su propio sistema de clasificación de plantas.

El médico Valerius Cordus (1515-1544) fue el autor de una importante planta de hierbas botánica y farmacológicamente Historia Plantarum en 1544 y una farmacopea de importancia duradera, la Dispensatorio en 1546. [21] El naturalista Conrad von Gesner (1516-1565) y el herbolario John Gerard (1545-c. 1611) publicaron hierbas que cubrían los usos medicinales de las plantas. El naturalista Ulisse Aldrovandi (1522-1605) fue considerado el padre de la historia natural, que incluyó el estudio de las plantas. En 1665, utilizando un microscopio temprano, Polymath Robert Hooke descubrió células, un término que él acuñó, en corcho, y poco tiempo después en tejido vegetal vivo. [22]

Botánica moderna temprana Editar

Durante el siglo XVIII, se desarrollaron sistemas de identificación de plantas comparables a las claves dicotómicas, donde las plantas no identificadas se colocan en grupos taxonómicos (por ejemplo, familia, género y especie) haciendo una serie de elecciones entre pares de caracteres. La elección y secuencia de los caracteres puede ser artificial en claves diseñadas puramente para identificación (claves de diagnóstico) o más estrechamente relacionadas con el orden natural o filético de los taxones en claves sinópticas. [23] En el siglo XVIII, nuevas plantas para estudio llegaban a Europa en cantidades cada vez mayores de países recién descubiertos y de las colonias europeas en todo el mundo. En 1753, Carl von Linné (Carl Linnaeus) publicó su Species Plantarum, una clasificación jerárquica de especies de plantas que sigue siendo el punto de referencia para la nomenclatura botánica moderna. Esto estableció un esquema de nomenclatura binomial estandarizado o de dos partes donde el primer nombre representaba el género y el segundo identificaba la especie dentro del género. [24] A efectos de identificación, Linneo Systema Sexuale clasificaron las plantas en 24 grupos según el número de sus órganos sexuales masculinos. El grupo 24, Criptogamia, incluía todas las plantas con partes reproductoras ocultas, musgos, hepáticas, helechos, algas y hongos. [25]

El conocimiento cada vez mayor de la anatomía, morfología y ciclos de vida de las plantas llevó a la comprensión de que existían más afinidades naturales entre las plantas que el sistema sexual artificial de Linneo. Adanson (1763), de Jussieu (1789) y Candolle (1819) propusieron varios sistemas naturales alternativos de clasificación que agrupaban plantas utilizando una gama más amplia de caracteres compartidos y fueron ampliamente seguidos. El sistema Candollean reflejó sus ideas sobre la progresión de la complejidad morfológica y el posterior sistema Bentham & amp Hooker, que fue influyente hasta mediados del siglo XIX, fue influenciado por el enfoque de Candolle. La publicación de Darwin del Origen de las especies en 1859 y su concepto de descendencia común requirió modificaciones al sistema Candollean para reflejar las relaciones evolutivas a diferencia de la mera similitud morfológica. [26]

La botánica se vio muy estimulada por la aparición del primer libro de texto "moderno", el de Matthias Schleiden Grundzüge der Wissenschaftlichen Botanik, publicado en inglés en 1849 como Principios de la botánica científica. [27] Schleiden fue un microscopista y uno de los primeros anatomistas de plantas que cofundó la teoría celular con Theodor Schwann y Rudolf Virchow y fue uno de los primeros en comprender la importancia del núcleo celular que había sido descrito por Robert Brown en 1831. [28] ] En 1855, Adolf Fick formuló las leyes de Fick que permitieron el cálculo de las tasas de difusión molecular en sistemas biológicos. [29]

Botánica moderna tardía Editar

Sobre la base de la teoría de la herencia gen-cromosoma que se originó con Gregor Mendel (1822–1884), August Weismann (1834–1914) demostró que la herencia solo tiene lugar a través de los gametos. Ninguna otra célula puede transmitir caracteres heredados. [30] El trabajo de Katherine Esau (1898-1997) sobre la anatomía de las plantas sigue siendo una de las principales bases de la botánica moderna. Sus libros Anatomía Vegetal y Anatomía de las plantas de semillas han sido textos clave de biología estructural de plantas durante más de medio siglo. [31] [32]

La disciplina de la ecología vegetal fue pionera a fines del siglo XIX por botánicos como Eugenius Warming, quien produjo la hipótesis de que las plantas forman comunidades, y su mentor y sucesor Christen C. Raunkiær, cuyo sistema para describir las formas de vida de las plantas todavía se usa en la actualidad. Henry Chandler Cowles, Arthur Tansley y Frederic Clements desarrollaron el concepto de que la composición de las comunidades de plantas, como los bosques latifoliados templados, cambia mediante un proceso de sucesión ecológica. A Clements se le atribuye la idea de la vegetación clímax como la vegetación más compleja que puede soportar un entorno y Tansley introdujo el concepto de ecosistemas en la biología. [33] [34] [35] Basándose en el extenso trabajo anterior de Alphonse de Candolle, Nikolai Vavilov (1887-1943) produjo relatos de la biogeografía, los centros de origen y la historia evolutiva de las plantas económicas. [36]

Particularmente desde mediados de la década de 1960 ha habido avances en la comprensión de la física de los procesos fisiológicos de las plantas, como la transpiración (el transporte de agua dentro de los tejidos de las plantas), la dependencia de la temperatura de las tasas de evaporación del agua de la superficie de la hoja y la difusión molecular del agua. vapor y dióxido de carbono a través de las aberturas estomáticas. Estos desarrollos, junto con los nuevos métodos para medir el tamaño de las aberturas estomáticas y la tasa de fotosíntesis, han permitido una descripción precisa de las tasas de intercambio de gases entre las plantas y la atmósfera. [37] [38] Las innovaciones en el análisis estadístico de Ronald Fisher, [39] Frank Yates y otros en la Estación Experimental Rothamsted facilitaron el diseño experimental racional y el análisis de datos en la investigación botánica. [40] El descubrimiento e identificación de las hormonas vegetales auxinas por Kenneth V. Thimann en 1948 permitió la regulación del crecimiento de las plantas mediante productos químicos aplicados externamente. Frederick Campion Steward fue pionero en las técnicas de micropropagación y cultivo de tejidos vegetales controladas por hormonas vegetales. [41] La auxina sintética ácido 2,4-diclorofenoxiacético o 2,4-D fue uno de los primeros herbicidas sintéticos comerciales. [42]

Los desarrollos del siglo XX en bioquímica vegetal han sido impulsados ​​por técnicas modernas de análisis químico orgánico, como espectroscopia, cromatografía y electroforesis. Con el auge de los enfoques biológicos a escala molecular relacionados de biología molecular, genómica, proteómica y metabolómica, la relación entre el genoma de la planta y la mayoría de los aspectos de la bioquímica, fisiología, morfología y comportamiento de las plantas puede someterse a un análisis experimental detallado. [43] El concepto originalmente establecido por Gottlieb Haberlandt en 1902 [44] de que todas las células vegetales son totipotentes y se pueden cultivar in vitro en última instancia, permitió el uso de la ingeniería genética de manera experimental para eliminar un gen o genes responsables de un rasgo específico, o para agregar genes como GFP que informan cuándo se expresa un gen de interés. Estas tecnologías permiten el uso biotecnológico de plantas enteras o cultivos de células vegetales cultivados en biorreactores para sintetizar pesticidas, antibióticos u otros productos farmacéuticos, así como la aplicación práctica de cultivos modificados genéticamente diseñados para características como la mejora del rendimiento. [45]

La morfología moderna reconoce un continuo entre las principales categorías morfológicas de raíz, tallo (cauloma), hoja (filoma) y tricoma. [46] Además, enfatiza la dinámica estructural. [47] La ​​sistemática moderna tiene como objetivo reflejar y descubrir relaciones filogenéticas entre plantas. [48] ​​[49] [50] [51] La filogenia molecular moderna ignora en gran medida los caracteres morfológicos, basándose en las secuencias de ADN como datos. El análisis molecular de las secuencias de ADN de la mayoría de las familias de plantas con flores permitió que Angiosperm Phylogeny Group publicara en 1998 una filogenia de plantas con flores, respondiendo a muchas de las preguntas sobre las relaciones entre las familias y especies de angiospermas. [52] La posibilidad teórica de un método práctico para la identificación de especies de plantas y variedades comerciales mediante códigos de barras de ADN es objeto de una activa investigación actual. [53] [54]

El estudio de las plantas es vital porque sustentan casi toda la vida animal en la Tierra al generar una gran proporción del oxígeno y los alimentos que proporcionan a los humanos y otros organismos la respiración aeróbica con la energía química que necesitan para existir. Las plantas, las algas y las cianobacterias son los principales grupos de organismos que realizan la fotosíntesis, un proceso que utiliza la energía de la luz solar para convertir el agua y el dióxido de carbono [55] en azúcares que pueden utilizarse tanto como fuente de energía química como de moléculas orgánicas. que se utilizan en los componentes estructurales de las células. [56] Como subproducto de la fotosíntesis, las plantas liberan oxígeno a la atmósfera, un gas que casi todos los seres vivos necesitan para llevar a cabo la respiración celular. Además, influyen en los ciclos globales del carbono y el agua y las raíces de las plantas se unen y estabilizan los suelos, evitando su erosión. [57] Las plantas son cruciales para el futuro de la sociedad humana, ya que proporcionan alimentos, oxígeno, medicinas y productos a las personas, además de crear y preservar el suelo. [58]

Históricamente, todos los seres vivos se clasificaron como animales o plantas [59] y la botánica cubrió el estudio de todos los organismos no considerados animales. [60] Los botánicos examinan tanto las funciones internas como los procesos dentro de los orgánulos, células, tejidos, plantas enteras, poblaciones de plantas y comunidades de plantas. En cada uno de estos niveles, un botánico puede estar interesado en la clasificación (taxonomía), filogenia y evolución, estructura (anatomía y morfología) o función (fisiología) de la vida vegetal. [61]

La definición más estricta de "planta" incluye solo las "plantas terrestres" o embriofitas, que incluyen las plantas con semillas (gimnospermas, incluidos los pinos y las plantas con flores) y las criptogamas de esporificación libre, incluidos helechos, musgos, hepáticas, hornworts y musgos. Los embriofitos son eucariotas multicelulares descendientes de un antepasado que obtuvo su energía de la luz solar mediante la fotosíntesis. Tienen ciclos de vida con fases haploides y diploides alternas. La fase haploide sexual de los embriofitos, conocida como gametofito, nutre el esporofito embrionario diploide en desarrollo dentro de sus tejidos durante al menos parte de su vida, [62] incluso en las plantas con semillas, donde el propio gametofito se nutre de su esporofito progenitor. [63] Otros grupos de organismos que fueron estudiados previamente por los botánicos incluyen bacterias (ahora estudiadas en bacteriología), hongos (micología), incluidos hongos formadores de líquenes (liquenología), algas no clorofitas (psicología) y virus (virología). Sin embargo, los botánicos aún prestan atención a estos grupos, y los hongos (incluidos los líquenes) y los protistas fotosintéticos generalmente se tratan en los cursos de introducción a la botánica. [64] [65]

Los paleobotánicos estudian plantas antiguas en el registro fósil para proporcionar información sobre la historia evolutiva de las plantas. Se cree que las cianobacterias, los primeros organismos fotosintéticos liberadores de oxígeno en la Tierra, dieron lugar al antepasado de las plantas al entrar en una relación endosimbiótica con un eucariota temprano, convirtiéndose finalmente en los cloroplastos en las células vegetales. Las nuevas plantas fotosintéticas (junto con sus algas parientes) aceleraron el aumento de oxígeno atmosférico iniciado por las cianobacterias, cambiando la antigua atmósfera libre de oxígeno y reductora a una en la que el oxígeno libre ha sido abundante durante más de 2 mil millones de años. [66] [67]

Entre las cuestiones botánicas importantes del siglo XXI se encuentran el papel de las plantas como productores primarios en el ciclo global de los ingredientes básicos de la vida: energía, carbono, oxígeno, nitrógeno y agua, y las formas en que nuestra administración de plantas puede ayudar a abordar los problemas ambientales globales de gestión de recursos, conservación, seguridad alimentaria humana, organismos biológicamente invasivos, secuestro de carbono, cambio climático y sostenibilidad. [68]

Nutrición humana Editar

Prácticamente todos los alimentos básicos provienen directamente de la producción primaria de las plantas o indirectamente de los animales que los comen. [69] Las plantas y otros organismos fotosintéticos se encuentran en la base de la mayoría de las cadenas alimentarias porque utilizan la energía del sol y los nutrientes del suelo y la atmósfera, convirtiéndolos en una forma que pueden utilizar los animales. Esto es lo que los ecologistas llaman el primer nivel trófico. [70] Las formas modernas de los principales alimentos básicos, como cáñamo, teff, maíz, arroz, trigo y otros cereales, legumbres, plátanos y plátanos, [71] así como cáñamo, lino y algodón cultivados por sus fibras. son el resultado de la selección prehistórica durante miles de años entre plantas ancestrales silvestres con las características más deseables. [72]

Los botánicos estudian cómo las plantas producen alimentos y cómo aumentar los rendimientos, por ejemplo, mediante el fitomejoramiento, lo que hace que su trabajo sea importante para la capacidad de la humanidad de alimentar al mundo y brindar seguridad alimentaria a las generaciones futuras. [73] Los botánicos también estudian las malas hierbas, que son un problema considerable en la agricultura, y la biología y el control de los patógenos de las plantas en la agricultura y los ecosistemas naturales. [74] La etnobotánica es el estudio de las relaciones entre plantas y personas. Cuando se aplica a la investigación de las relaciones históricas entre plantas y personas, la etnobotánica puede denominarse arqueobotánica o paleoetnobotánica. [75] Algunas de las primeras relaciones planta-gente surgieron entre los pueblos indígenas de Canadá al identificar plantas comestibles de plantas no comestibles. [76] Esta relación que tenían los indígenas con las plantas fue registrada por etnobotánicos. [76]

La bioquímica vegetal es el estudio de los procesos químicos utilizados por las plantas. Algunos de estos procesos se utilizan en su metabolismo primario, como el ciclo de Calvin fotosintético y el metabolismo del ácido crasuláceo. [77] Otros fabrican materiales especializados como la celulosa y la lignina que se utilizan para construir sus cuerpos, y productos secundarios como resinas y compuestos aromáticos.

Las plantas y varios otros grupos de eucariotas fotosintéticos conocidos colectivamente como "algas" tienen orgánulos únicos conocidos como cloroplastos. Se cree que los cloroplastos descienden de cianobacterias que formaron relaciones endosimbióticas con ancestros antiguos de plantas y algas. Los cloroplastos y las cianobacterias contienen el pigmento azul verdoso clorofila a. [78] Clorofila a (así como su prima clorofila específica de plantas y algas verdes) B) [a] absorbe la luz en las partes azul-violeta y naranja / roja del espectro mientras refleja y transmite la luz verde que vemos como el color característico de estos organismos. Los cloroplastos utilizan la energía de la luz roja y azul que absorben estos pigmentos para producir compuestos de carbono ricos en energía a partir del dióxido de carbono y el agua mediante la fotosíntesis oxigenada, un proceso que genera oxígeno molecular (O2) como subproducto.

La energía luminosa capturada por la clorofila. a está inicialmente en forma de electrones (y luego un gradiente de protones) que se utiliza para producir moléculas de ATP y NADPH que almacenan y transportan energía temporalmente. Su energía se utiliza en las reacciones independientes de la luz del ciclo de Calvin por la enzima rubisco para producir moléculas del azúcar de 3 carbonos, gliceraldehído 3-fosfato (G3P). El gliceraldehído 3-fosfato es el primer producto de la fotosíntesis y la materia prima a partir de la cual se sintetizan la glucosa y casi todas las demás moléculas orgánicas de origen biológico. Parte de la glucosa se convierte en almidón que se almacena en el cloroplasto. [82] El almidón es el depósito de energía característico de la mayoría de las plantas terrestres y las algas, mientras que la inulina, un polímero de fructosa, se utiliza con el mismo propósito en la familia de los girasoles Asteraceae. Parte de la glucosa se convierte en sacarosa (azúcar común de mesa) para exportar al resto de la planta.

A diferencia de los animales (que carecen de cloroplastos), las plantas y sus parientes eucariotas han delegado muchas funciones bioquímicas a sus cloroplastos, incluida la síntesis de todos sus ácidos grasos, [83] [84] y la mayoría de los aminoácidos. [85] Los ácidos grasos que producen los cloroplastos se utilizan para muchas cosas, como proporcionar material para construir las membranas celulares y fabricar la cutina polimérica que se encuentra en la cutícula de la planta y que protege a las plantas terrestres de la desecación. [86]

Las plantas sintetizan una serie de polímeros únicos como las moléculas de polisacárido celulosa, pectina y xiloglucano [87] a partir de las cuales se construye la pared celular de la planta terrestre. [88] Las plantas vasculares terrestres producen lignina, un polímero que se usa para fortalecer las paredes celulares secundarias de las traqueidas y los vasos del xilema para evitar que colapsen cuando una planta succiona agua a través de ellas bajo estrés hídrico. La lignina también se usa en otros tipos de células como las fibras del esclerénquima que brindan soporte estructural a una planta y es un componente importante de la madera. La esporopollenina es un polímero químicamente resistente que se encuentra en las paredes celulares externas de las esporas y el polen de las plantas terrestres y es responsable de la supervivencia de las esporas de las primeras plantas terrestres y el polen de las plantas con semillas en el registro fósil. Es ampliamente considerado como un marcador del inicio de la evolución de las plantas terrestres durante el período Ordovícico. [89] La concentración de dióxido de carbono en la atmósfera actual es mucho menor que cuando las plantas emergieron a la tierra durante los períodos Ordovícico y Silúrico. Muchas monocotiledóneas como el maíz y la piña y algunas dicotiledóneas como las Asteraceae han evolucionado desde entonces de forma independiente [90] vías como el metabolismo del ácido crasuláceo y la C4 vía de fijación de carbono para la fotosíntesis que evita las pérdidas resultantes de la fotorrespiración en el C más común3 Vía de fijación de carbono. Estas estrategias bioquímicas son exclusivas de las plantas terrestres.

Medicina y materiales Editar

La fitoquímica es una rama de la bioquímica vegetal que se ocupa principalmente de las sustancias químicas producidas por las plantas durante el metabolismo secundario. [91] Algunos de estos compuestos son toxinas como el alcaloide coniina de la cicuta. Otros, como los aceites esenciales, el aceite de menta y el aceite de limón, son útiles por su aroma, como saborizantes y especias (por ejemplo, capsaicina), y en medicina como productos farmacéuticos como en el opio de la amapola de opio. Muchas drogas medicinales y recreativas, como el tetrahidrocannabinol (ingrediente activo del cannabis), la cafeína, la morfina y la nicotina provienen directamente de las plantas. Otros son simples derivados de productos botánicos naturales. Por ejemplo, el analgésico aspirina es el acetil éster del ácido salicílico, originalmente aislado de la corteza de los sauces, [92] y una amplia gama de analgésicos opiáceos como la heroína se obtienen mediante la modificación química de la morfina obtenida de la adormidera. [93] Los estimulantes populares provienen de plantas, como la cafeína del café, el té y el chocolate, y la nicotina del tabaco. La mayoría de las bebidas alcohólicas provienen de la fermentación de productos vegetales ricos en carbohidratos como la cebada (cerveza), el arroz (sake) y las uvas (vino). [94] Los nativos americanos han utilizado varias plantas como formas de tratar enfermedades o dolencias durante miles de años. [95] Este conocimiento que los nativos americanos tienen sobre las plantas ha sido registrado por entnobotánicos y luego, a su vez, ha sido utilizado por las compañías farmacéuticas como una forma de descubrimiento de fármacos. [96]

Las plantas pueden sintetizar tintes y pigmentos de colores útiles, como las antocianinas responsables del color rojo del vino tinto, la soldadura amarilla y el glasa azul que se utilizan juntos para producir verde Lincoln, indoxyl, fuente del tinte azul índigo tradicionalmente utilizado para teñir la mezclilla y los pigmentos del artista. gamboge y rose madder. Azúcar, almidón, algodón, lino, cáñamo, algunos tipos de cuerdas, madera y tableros de partículas, papiro y papel, aceites vegetales, cera y caucho natural son ejemplos de materiales comercialmente importantes hechos de tejidos vegetales o sus productos secundarios. El carbón vegetal, una forma pura de carbón obtenido por pirólisis de la madera, tiene una larga historia como combustible para la fundición de metales, como material filtrante y adsorbente y como material para artistas, y es uno de los tres ingredientes de la pólvora. La celulosa, el polímero orgánico más abundante del mundo, [97] se puede convertir en energía, combustibles, materiales y materias primas químicas. Los productos hechos de celulosa incluyen rayón y celofán, pasta para papel tapiz, biobutanol y algodón de pistola. La caña de azúcar, la colza y la soja son algunas de las plantas con contenido de azúcar o aceite altamente fermentables que se utilizan como fuentes de biocombustibles, importantes alternativas a los combustibles fósiles, como el biodiesel. [98] Los nativos americanos usaban la hierba dulce para protegerse de insectos como los mosquitos. [99] Estas propiedades repelentes de insectos de la hierba dulce fueron encontradas más tarde por la Sociedad Química Estadounidense en las moléculas de fitol y cumarina. [99]

La ecología vegetal es la ciencia de las relaciones funcionales entre las plantas y sus hábitats, los entornos donde completan sus ciclos de vida. Los ecologistas vegetales estudian la composición de las floras locales y regionales, su biodiversidad, diversidad genética y aptitud, la adaptación de las plantas a su entorno y sus interacciones competitivas o mutualistas con otras especies. [100] Algunos ecologistas incluso se basan en datos empíricos de los pueblos indígenas recopilados por etnobotánicos. [101] Esta información puede transmitir una gran cantidad de información sobre cómo era la tierra hace miles de años y cómo ha cambiado durante ese tiempo. [101] Los objetivos de la ecología vegetal son comprender las causas de sus patrones de distribución, productividad, impacto ambiental, evolución y respuestas al cambio ambiental. [102]

Las plantas dependen de ciertos factores edáficos (suelo) y climáticos en su entorno, pero también pueden modificar estos factores. Por ejemplo, pueden cambiar el albedo de su entorno, aumentar la interceptación de la escorrentía, estabilizar los suelos minerales y desarrollar su contenido orgánico, y afectar la temperatura local. Las plantas compiten con otros organismos en su ecosistema por los recursos. [103] [104] Interactúan con sus vecinos en una variedad de escalas espaciales en grupos, poblaciones y comunidades que colectivamente constituyen la vegetación. Las regiones con tipos de vegetación característicos y plantas dominantes, así como factores abióticos y bióticos, clima y geografía similares forman biomas como la tundra o la selva tropical. [105]

Los herbívoros comen plantas, pero las plantas pueden defenderse y algunas especies son parásitas o incluso carnívoras. Otros organismos forman relaciones mutuamente beneficiosas con las plantas. Por ejemplo, los hongos micorrízicos y los rizobios proporcionan a las plantas nutrientes a cambio de alimento, las hormigas son reclutadas por las plantas de hormigas para proporcionar protección, [107] las abejas melíferas, los murciélagos y otros animales polinizan las flores [108] [109] y los seres humanos y otros animales [ 110] actúan como vectores de dispersión para esparcir esporas y semillas.

Plantas, clima y cambio ambiental Editar

Las respuestas de las plantas al clima y otros cambios ambientales pueden informar nuestra comprensión de cómo estos cambios afectan la función y la productividad del ecosistema. Por ejemplo, la fenología de las plantas puede ser un proxy útil de la temperatura en la climatología histórica y el impacto biológico del cambio climático y el calentamiento global. La palinología, el análisis de los depósitos de polen fósil en sedimentos de hace miles o millones de años permite la reconstrucción de climas pasados. [111] Estimaciones de CO atmosférico
2 concentraciones desde el Paleozoico se han obtenido a partir de las densidades estomáticas y las formas y tamaños de las hojas de plantas terrestres antiguas. [112] El agotamiento de la capa de ozono puede exponer a las plantas a niveles más altos de radiación ultravioleta B (UV-B), lo que da como resultado tasas de crecimiento más bajas. [113] Además, la información de los estudios de ecología comunitaria, sistemática de las plantas y taxonomía es esencial para comprender el cambio de la vegetación, la destrucción del hábitat y la extinción de especies. [114]

La herencia en las plantas sigue los mismos principios fundamentales de la genética que en otros organismos multicelulares. Gregor Mendel descubrió las leyes genéticas de la herencia mediante el estudio de rasgos heredados como la forma en Pisum sativum (guisantes). Lo que Mendel aprendió del estudio de las plantas ha tenido beneficios de gran alcance fuera de la botánica. De manera similar, Barbara McClintock descubrió los "genes saltarines" mientras estudiaba maíz. [115] Sin embargo, existen algunas diferencias genéticas distintivas entre plantas y otros organismos.

Los límites de las especies en las plantas pueden ser más débiles que en los animales y, a menudo, son posibles los híbridos entre especies. Un ejemplo familiar es la menta, Mentha × piperita, un híbrido estéril entre Mentha aquatica y hierbabuena, Mentha spicata. [116] Las muchas variedades cultivadas de trigo son el resultado de múltiples cruces inter e intraespecíficos entre especies silvestres y sus híbridos. [117] Las angiospermas con flores monoicas a menudo tienen mecanismos de autoincompatibilidad que operan entre el polen y el estigma, de modo que el polen no alcanza el estigma o no germina y produce gametos masculinos. [118] Este es uno de los varios métodos utilizados por las plantas para promover el cruzamiento. [119] En muchas plantas terrestres, los gametos masculinos y femeninos son producidos por individuos separados. Se dice que estas especies son dioicas cuando se refieren a esporofitos de plantas vasculares y dioicas cuando se refieren a gametofitos briófitos. [120]

A diferencia de los animales superiores, donde la partenogénesis es rara, la reproducción asexual puede ocurrir en las plantas por varios mecanismos diferentes. La formación de tubérculos de tallo en la papa es un ejemplo. Particularmente en hábitats árticos o alpinos, donde las oportunidades de fertilización de flores por animales son raras, pueden desarrollarse plántulas o bulbos en lugar de flores, reemplazando la reproducción sexual con reproducción asexual y dando lugar a poblaciones clonales genéticamente idénticas al padre. Este es uno de los varios tipos de apomixis que ocurren en las plantas. La apomixis también puede ocurrir en una semilla, produciendo una semilla que contiene un embrión genéticamente idéntico al padre. [121]

La mayoría de los organismos que se reproducen sexualmente son diploides, con cromosomas apareados, pero es posible que se duplique su número de cromosomas debido a errores en la citocinesis. Esto puede ocurrir temprano en el desarrollo para producir un organismo autopoliploide o parcialmente autopoliploide, o durante procesos normales de diferenciación celular para producir algunos tipos de células que son poliploides (endopoliploidía), o durante la formación de gametos. Una planta alopoliploide puede resultar de un evento de hibridación entre dos especies diferentes.Tanto las plantas autopoliploides como las alopoliploides a menudo pueden reproducirse normalmente, pero es posible que no puedan cruzarse con éxito con la población parental porque hay un desajuste en el número de cromosomas. Estas plantas que están aisladas reproductivamente de la especie parental pero que viven dentro de la misma área geográfica, pueden tener suficiente éxito para formar una nueva especie. [122] Algunos poliploides de plantas que de otro modo serían estériles aún pueden reproducirse vegetativamente o por apomixis de semillas, formando poblaciones clonales de individuos idénticos. [122] El trigo duro es un alopoliploide tetraploide fértil, mientras que el trigo harinero es un hexaploide fértil. El banano comercial es un ejemplo de híbrido triploide estéril y sin semillas. El diente de león común es un triploide que produce semillas viables por semilla apomíctica.

Al igual que en otros eucariotas, la herencia de orgánulos endosimbióticos como las mitocondrias y los cloroplastos en las plantas no es mendeliana. Los cloroplastos se heredan a través del progenitor masculino en las gimnospermas, pero a menudo a través del progenitor femenino en las plantas con flores. [123]

Genética molecular Editar

Una cantidad considerable de nuevos conocimientos sobre la función de las plantas proviene de estudios de la genética molecular de plantas modelo como el berro Thale, Arabidopsis thaliana, una especie de malezas de la familia de la mostaza (Brassicaceae). [91] El genoma o la información hereditaria contenida en los genes de esta especie está codificada por aproximadamente 135 millones de pares de bases de ADN, formando uno de los genomas más pequeños entre las plantas con flores. Arabidopsis fue la primera planta en tener su genoma secuenciado, en 2000. [124] La secuenciación de algunos otros genomas relativamente pequeños, de arroz (Oryza sativa) [125] y Brachypodium distachyon[126] las ha convertido en importantes especies modelo para comprender la genética, la biología celular y molecular de los cereales, las gramíneas y las monocotiledóneas en general.

Plantas modelo como Arabidopsis thaliana se utilizan para estudiar la biología molecular de las células vegetales y el cloroplasto. Idealmente, estos organismos tienen pequeños genomas que son bien conocidos o completamente secuenciados, de baja estatura y tiempos de generación cortos. El maíz se ha utilizado para estudiar los mecanismos de la fotosíntesis y la carga del floema de azúcar en C4 plantas. [127] El alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii, aunque no es un embriofito en sí mismo, contiene un cloroplasto pigmentado de verde relacionado con el de las plantas terrestres, lo que lo hace útil para el estudio. [128] Un alga roja Cyanidioschyzon merolae También se ha utilizado para estudiar algunas funciones básicas del cloroplasto. [129] Espinaca, [130] guisantes, [131] soja y musgo Physcomitrella patens se utilizan comúnmente para estudiar la biología de las células vegetales. [132]

Agrobacterium tumefaciens, una bacteria de la rizosfera del suelo, puede adherirse a las células vegetales e infectarlas con un plásmido Ti inductor de callos por transferencia genética horizontal, causando una infección de callos llamada enfermedad de la agalla de la corona. Schell y Van Montagu (1977) plantearon la hipótesis de que el plásmido Ti podría ser un vector natural para introducir el gen Nif responsable de la fijación de nitrógeno en los nódulos de las raíces de leguminosas y otras especies de plantas. [133] En la actualidad, la modificación genética del plásmido Ti es una de las principales técnicas para la introducción de transgenes en las plantas y la creación de cultivos modificados genéticamente.

Epigenética Editar

La epigenética es el estudio de los cambios hereditarios en la función de los genes que no pueden explicarse por cambios en la secuencia de ADN subyacente [134], pero hacen que los genes del organismo se comporten (o "se expresen") de manera diferente. [135] Un ejemplo de cambio epigenético es el marcado de los genes mediante la metilación del ADN, que determina si se expresarán o no. La expresión génica también puede controlarse mediante proteínas represoras que se unen a regiones silenciadoras del ADN y evitan que se exprese esa región del código de ADN. Las marcas epigenéticas pueden añadirse o eliminarse del ADN durante las etapas programadas de desarrollo de la planta y son responsables, por ejemplo, de las diferencias entre anteras, pétalos y hojas normales, a pesar de que todas tienen el mismo código genético subyacente. Los cambios epigenéticos pueden ser temporales o pueden permanecer a través de sucesivas divisiones celulares durante el resto de la vida de la célula. Se ha demostrado que algunos cambios epigenéticos son hereditarios [136], mientras que otros se restablecen en las células germinales.

Los cambios epigenéticos en la biología eucariota sirven para regular el proceso de diferenciación celular. Durante la morfogénesis, las células madre totipotentes se convierten en las diversas líneas celulares pluripotentes del embrión, que a su vez se convierten en células completamente diferenciadas. Un único óvulo fertilizado, el cigoto, da lugar a muchos tipos diferentes de células vegetales, incluidos el parénquima, los elementos de los vasos del xilema, los tubos de cribado del floema, las células protectoras de la epidermis, etc., a medida que continúa dividiéndose. El proceso es el resultado de la activación epigenética de algunos genes y la inhibición de otros. [137]

A diferencia de los animales, muchas células vegetales, particularmente las del parénquima, no se diferencian terminalmente, permaneciendo totipotentes con la capacidad de dar lugar a una nueva planta individual. Las excepciones incluyen las células muy lignificadas, el esclerénquima y el xilema que están muertos en la madurez y los tubos de tamiz del floema que carecen de núcleo. Si bien las plantas utilizan muchos de los mismos mecanismos epigenéticos que los animales, como la remodelación de la cromatina, una hipótesis alternativa es que las plantas establecen sus patrones de expresión genética utilizando información posicional del entorno y las células circundantes para determinar su destino de desarrollo. [138]

Los cambios epigenéticos pueden conducir a paramutaciones, que no siguen las reglas de herencia mendeliana. Estas marcas epigenéticas se transmiten de una generación a la siguiente, y un alelo induce un cambio en el otro. [139]

Los cloroplastos de las plantas tienen una serie de similitudes bioquímicas, estructurales y genéticas con las cianobacterias (comúnmente pero incorrectamente conocidas como "algas verdeazuladas") y se cree que se derivan de una antigua relación endosimbiótica entre una célula eucariota ancestral y un residente de cianobacterias. . [140] [141] [142] [143]

Las algas son un grupo polifilético y se colocan en varias divisiones, algunas más relacionadas con las plantas que otras. Existen muchas diferencias entre ellos en características como la composición de la pared celular, la bioquímica, la pigmentación, la estructura del cloroplasto y las reservas de nutrientes. Se considera que la división de algas Charophyta, hermana de la división de algas verdes Chlorophyta, contiene el antepasado de las plantas verdaderas. [144] La clase Charophyte Charophyceae y el sub-reino de plantas terrestres Embryophyta juntos forman el grupo monofilético o clado Streptophytina. [145]

Las plantas terrestres no vasculares son embriofitos que carecen del xilema y el floema de los tejidos vasculares. Incluyen musgos, hepáticas y hornworts. Las plantas vasculares pteridofíticas con verdadero xilema y floema que se reproducen por esporas que germinan en gametofitos de vida libre evolucionaron durante el período Silúrico y se diversificaron en varios linajes durante el Silúrico tardío y el Devónico temprano. Los representantes de los licópodos han sobrevivido hasta nuestros días. Hacia el final del período Devónico, varios grupos, incluidos los licópodos, esfenófilos y progymnospermas, habían evolucionado independientemente "megaspory" - sus esporas eran de dos tamaños distintos, megaesporas más grandes y microesporas más pequeñas. Sus gametofitos reducidos se desarrollaron a partir de megasporas retenidas dentro de los órganos productores de esporas (megasporangia) del esporofito, una condición conocida como endosporía. Las semillas consisten en un megasporangio endospórico rodeado por una o dos capas de revestimiento (tegumentos). El esporofito joven se desarrolla dentro de la semilla, que al germinar se divide para liberarla. Las primeras plantas de semillas conocidas datan de la última etapa del Devónico Fameniano. [146] [147] Tras la evolución del hábito de las semillas, las plantas de semillas se diversificaron, dando lugar a varios grupos ahora extintos, incluidos los helechos de semillas, así como las gimnospermas y angiospermas modernas. [148] Las gimnospermas producen "semillas desnudas" que no están completamente encerradas en un ovario. Representantes modernos incluyen coníferas, cícadas, Gingkoy Gnetales. Las angiospermas producen semillas encerradas en una estructura como un carpelo o un ovario. [149] [150] La investigación en curso sobre la filogenética molecular de las plantas vivas parece mostrar que las angiospermas son un clado hermano de las gimnospermas. [151]

La fisiología vegetal abarca todas las actividades químicas y físicas internas de las plantas asociadas con la vida. [152] Los productos químicos obtenidos del aire, el suelo y el agua forman la base de todo el metabolismo de las plantas. La energía de la luz solar, capturada por la fotosíntesis oxigenada y liberada por la respiración celular, es la base de casi toda la vida. Los fotoautótrofos, incluidas todas las plantas verdes, las algas y las cianobacterias, obtienen energía directamente de la luz solar mediante la fotosíntesis. Los heterótrofos, incluidos todos los animales, todos los hongos, todas las plantas completamente parasitarias y las bacterias no fotosintéticas, toman moléculas orgánicas producidas por los fotoautótrofos y las respiran o las utilizan en la construcción de células y tejidos. [153] La respiración es la oxidación de los compuestos de carbono al descomponerlos en estructuras más simples para liberar la energía que contienen, esencialmente lo opuesto a la fotosíntesis. [154]

Las moléculas se mueven dentro de las plantas mediante procesos de transporte que operan en una variedad de escalas espaciales. El transporte subcelular de iones, electrones y moléculas como el agua y las enzimas se produce a través de las membranas celulares. Los minerales y el agua se transportan desde las raíces a otras partes de la planta en la corriente de transpiración. La difusión, la ósmosis y el transporte activo y el flujo másico son formas diferentes en las que se puede producir el transporte. [155] Ejemplos de elementos que las plantas necesitan para transportar son nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio y azufre. En las plantas vasculares, estos elementos se extraen del suelo como iones solubles por las raíces y se transportan por toda la planta en el xilema. La mayoría de los elementos necesarios para la nutrición de las plantas provienen de la descomposición química de los minerales del suelo. [156] La sacarosa producida por la fotosíntesis se transporta desde las hojas a otras partes de la planta en el floema y las hormonas vegetales se transportan mediante una variedad de procesos.

Hormonas vegetales Editar

Las plantas no son pasivas, pero responden a señales externas como la luz, el tacto y las lesiones moviéndose o creciendo hacia o alejándose del estímulo, según corresponda. La evidencia tangible de la sensibilidad al tacto es el colapso casi instantáneo de folletos de Mimosa pudica, las trampas para insectos de Venus atrapamoscas y bladderworts, y las polinias de las orquídeas. [158]

La hipótesis de que el crecimiento y desarrollo de las plantas está coordinado por hormonas vegetales o reguladores del crecimiento de las plantas surgió por primera vez a finales del siglo XIX. Darwin experimentó con los movimientos de los brotes y raíces de las plantas hacia la luz [159] y la gravedad, y concluyó: "No es exagerado decir que la punta de la radícula ... actúa como el cerebro de uno de los animales inferiores ... varios movimientos ". [160] Aproximadamente al mismo tiempo, el papel de las auxinas (del griego auxina, crecer) en control del crecimiento de las plantas fue delineado por primera vez por el científico holandés Frits Went. [161] La primera auxina conocida, el ácido indol-3-acético (IAA), que promueve el crecimiento celular, solo se aisló de plantas unos 50 años después. [162] Este compuesto media las respuestas trópicas de los brotes y raíces hacia la luz y la gravedad. [163] El hallazgo en 1939 de que los callos de las plantas podían mantenerse en cultivos que contenían IAA, seguido de la observación en 1947 de que podían inducirse a formar raíces y brotes mediante el control de la concentración de hormonas de crecimiento, fueron pasos clave en el desarrollo de la biotecnología vegetal. y modificación genética. [164]

Las citoquininas son una clase de hormonas vegetales que se denominan así por su control de la división celular (especialmente la citocinesis). La citoquinina zeatina natural se descubrió en el maíz, Zea mays, y es un derivado de la purina adenina. La zeatina se produce en las raíces y se transporta a los brotes en el xilema, donde promueve la división celular, el desarrollo de las yemas y el enverdecimiento de los cloroplastos. [165] [166] Las giberelinas, como el ácido giberélico, son diterpenos sintetizados a partir de acetil CoA a través de la vía del mevalonato. Participan en la promoción de la germinación y la ruptura del letargo de las semillas, en la regulación de la altura de la planta mediante el control de la elongación del tallo y el control de la floración. [167] El ácido abscísico (ABA) se encuentra en todas las plantas terrestres, excepto en las hepáticas, y se sintetiza a partir de carotenoides en los cloroplastos y otros plástidos. Inhibe la división celular, promueve la maduración y la latencia de las semillas y promueve el cierre de los estomas. Se llamó así porque originalmente se pensó que controlaba la abscisión. [168] El etileno es una hormona gaseosa que se produce en todos los tejidos superiores de las plantas a partir de la metionina. Ahora se sabe que es la hormona que estimula o regula la maduración y la abscisión de la fruta, [169] [170] y, o el etefón, el regulador sintético del crecimiento, que se metaboliza rápidamente para producir etileno, se utilizan a escala industrial para promover la maduración del algodón. , piñas y otros cultivos climatéricos.

Otra clase de fitohormonas son los jasmonatos, primero aislados del aceite de Jasminum grandiflorum [171] que regula las respuestas de las heridas en las plantas al desbloquear la expresión de genes requeridos en la respuesta de resistencia sistémica adquirida al ataque de patógenos. [172]

Además de ser la fuente de energía primaria para las plantas, la luz funciona como un dispositivo de señalización, proporcionando información a la planta, como cuánta luz solar recibe la planta cada día. Esto puede resultar en cambios adaptativos en un proceso conocido como fotomorfogénesis. Los fitocromos son los fotorreceptores de una planta que son sensibles a la luz. [173]

La anatomía vegetal es el estudio de la estructura de las células y tejidos vegetales, mientras que la morfología vegetal es el estudio de su forma externa. [174] Todas las plantas son eucariotas multicelulares, su ADN almacenado en núcleos. [175] [176] Los rasgos característicos de las células vegetales que las distinguen de las de los animales y los hongos incluyen una pared celular primaria compuesta por los polisacáridos celulosa, hemicelulosa y pectina, [177] vacuolas más grandes que en las células animales y la presencia de plástidos con funciones fotosintéticas y biosintéticas únicas como en los cloroplastos. Otros plástidos contienen productos de almacenamiento como almidón (amiloplastos) o lípidos (elaioplastos). Excepcionalmente, las células estreptofitas y las del orden de las algas verdes Trentepohliales [178] se dividen mediante la construcción de un fragmoplasto como plantilla para construir una placa celular al final de la división celular. [82]

Los cuerpos de las plantas vasculares, incluidos los musgos, los helechos y las plantas con semillas (gimnospermas y angiospermas) generalmente tienen subsistemas aéreos y subterráneos. Los brotes están formados por tallos con hojas verdes fotosintetizadoras y estructuras reproductivas. Las raíces vascularizadas subterráneas tienen pelos radiculares en sus puntas y generalmente carecen de clorofila. [180] Las plantas no vasculares, las hepáticas, las hornworts y los musgos no producen raíces vasculares que penetren en el suelo y la mayor parte de la planta participa en la fotosíntesis. [181] La generación de esporofitos no es fotosintética en las hepáticas pero puede contribuir con parte de sus necesidades energéticas mediante la fotosíntesis en musgos y hornworts. [182]

El sistema de raíces y el sistema de brotes son interdependientes: el sistema de raíces generalmente no fotosintético depende del sistema de brotes para la alimentación, y el sistema de brotes generalmente fotosintéticos depende del agua y los minerales del sistema de raíces. [180] Las células de cada sistema son capaces de crear células del otro y producir brotes o raíces adventicias. [183] ​​Los estolones y los tubérculos son ejemplos de brotes que pueden desarrollar raíces. [184] Las raíces que se extienden cerca de la superficie, como las de los sauces, pueden producir brotes y, en última instancia, nuevas plantas. [185] En el caso de que uno de los sistemas se pierda, el otro a menudo puede volver a crecer. De hecho, es posible cultivar una planta entera a partir de una sola hoja, como es el caso de las plantas en Estreptocarpo secta. Saintpaulia, [186] o incluso una sola célula, que puede desdiferenciarse en un callo (una masa de células no especializadas) que puede convertirse en una nueva planta. [183] ​​En las plantas vasculares, el xilema y el floema son los tejidos conductores que transportan los recursos entre los brotes y las raíces. Las raíces a menudo se adaptan para almacenar alimentos como azúcares o almidón, [180] como en la remolacha azucarera y las zanahorias. [185]

Los tallos principalmente brindan soporte a las hojas y estructuras reproductivas, pero pueden almacenar agua en plantas suculentas como cactus, alimentos como en tubérculos de papa, o reproducirse vegetativamente como en los estolones de plantas de fresa o en el proceso de acodo. [187] Las hojas recogen la luz solar y realizan la fotosíntesis. [188] Las hojas verdes grandes, planas, flexibles se denominan hojas de follaje. [189] Gimnospermas, como coníferas, cícadas, Gingkoy las gnetofitas son plantas productoras de semillas con semillas abiertas. [190] Las angiospermas son plantas productoras de semillas que producen flores y tienen semillas encerradas. [149] Las plantas leñosas, como las azaleas y los robles, pasan por una fase de crecimiento secundaria que da como resultado dos tipos adicionales de tejidos: madera (xilema secundario) y corteza (floema secundario y corcho). Todas las gimnospermas y muchas angiospermas son plantas leñosas. [191] Algunas plantas se reproducen sexualmente, otras asexualmente y otras por ambos medios. [192]

Aunque la referencia a las principales categorías morfológicas como raíz, tallo, hoja y tricoma es útil, hay que tener en cuenta que estas categorías están vinculadas a través de formas intermedias, de modo que resulta un continuo entre las categorías. [193] Además, las estructuras pueden verse como procesos, es decir, combinaciones de procesos. [47]

La botánica sistemática es parte de la biología sistemática, que se preocupa por la variedad y diversidad de organismos y sus relaciones, particularmente según lo determina su historia evolutiva. [194] Implica, o está relacionado con, clasificación biológica, taxonomía científica y filogenética. La clasificación biológica es el método por el cual los botánicos agrupan los organismos en categorías como géneros o especies. La clasificación biológica es una forma de taxonomía científica. La taxonomía moderna tiene sus raíces en el trabajo de Carl Linnaeus, quien agrupó las especies de acuerdo con características físicas compartidas. Desde entonces, estas agrupaciones se han revisado para alinearse mejor con el principio darwiniano de ascendencia común: agrupar organismos por ascendencia en lugar de características superficiales. Si bien los científicos no siempre están de acuerdo en cómo clasificar los organismos, la filogenética molecular, que utiliza secuencias de ADN como datos, ha impulsado muchas revisiones recientes a lo largo de líneas evolutivas y es probable que continúe haciéndolo. El sistema de clasificación dominante se llama taxonomía de Linneo. Incluye rangos y nomenclatura binomial. La nomenclatura de organismos botánicos está codificada en el Código Internacional de Nomenclatura para algas, hongos y plantas (ICN) y administrada por el Congreso Botánico Internacional. [195] [196]

Kingdom Plantae pertenece al dominio Eukarya y se desglosa de forma recursiva hasta que cada especie se clasifica por separado. El orden es: Reino Phylum (o División) Clase Orden Familia Género (plural géneros) Especies. El nombre científico de una planta representa su género y su especie dentro del género, lo que resulta en un único nombre mundial para cada organismo. [196] Por ejemplo, el lirio tigre es Lilium columbianum. Lilium es el género, y columbianum el epíteto específico. La combinación es el nombre de la especie. Al escribir el nombre científico de un organismo, conviene poner en mayúscula la primera letra del género y poner todo el epíteto específico en minúsculas. Además, el término completo suele estar en cursiva (o subrayado cuando las cursivas no están disponibles). [197] [198] [199]

Las relaciones evolutivas y la herencia de un grupo de organismos se denominan filogenia. Los estudios filogenéticos intentan descubrir filogenias. El enfoque básico es utilizar similitudes basadas en la herencia compartida para determinar las relaciones. [200] Como ejemplo, especies de Pereskia son árboles o arbustos con hojas prominentes. Obviamente, no se parecen a un típico cactus sin hojas como un Equinocactus. Sin embargo, ambos Pereskia y Equinocactus tienen espinas producidas a partir de areolas (estructuras similares a almohadillas altamente especializadas), lo que sugiere que los dos géneros están relacionados. [201] [202]

Juzgar las relaciones basadas en personajes compartidos requiere cuidado, ya que las plantas pueden parecerse entre sí a través de una evolución convergente en la que los personajes han surgido de forma independiente. Algunas euforbias tienen cuerpos redondeados y sin hojas adaptados a la conservación del agua similares a los de los cactus globulares, pero caracteres como la estructura de sus flores dejan en claro que los dos grupos no están estrechamente relacionados. El método cladístico adopta un enfoque sistemático de los personajes, distinguiendo entre aquellos que no llevan información sobre la historia evolutiva compartida, como los que evolucionaron por separado en diferentes grupos (homoplasias) o los que quedaron de antepasados ​​(plesiomorfias), y los personajes derivados, que han sido transmitido a partir de innovaciones en un ancestro compartido (apomorfías). Solo los caracteres derivados, como las areolas de cactus que producen espinas, proporcionan evidencia de descendencia de un antepasado común. Los resultados de los análisis cladísticos se expresan como cladogramas: diagramas en forma de árbol que muestran el patrón de ramificación y descendencia evolutiva. [203]

Desde la década de 1990 en adelante, el enfoque predominante para construir filogenias para plantas vivas ha sido la filogenia molecular, que utiliza caracteres moleculares, en particular secuencias de ADN, en lugar de caracteres morfológicos como la presencia o ausencia de espinas y areolas. La diferencia es que el propio código genético se usa para decidir las relaciones evolutivas, en lugar de usarse indirectamente a través de los caracteres a los que da lugar. Clive Stace describe esto como tener "acceso directo a la base genética de la evolución". [204] Como ejemplo simple, antes del uso de la evidencia genética, se pensaba que los hongos eran plantas o estaban más estrechamente relacionados con las plantas que con los animales. La evidencia genética sugiere que la verdadera relación evolutiva de los organismos multicelulares es como se muestra en el cladograma a continuación: los hongos están más estrechamente relacionados con los animales que con las plantas. [205]

En 1998, el Grupo de Filogenia de Angiospermas publicó una filogenia para plantas con flores basada en un análisis de secuencias de ADN de la mayoría de las familias de plantas con flores. Como resultado de este trabajo, ahora se han respondido muchas preguntas, como qué familias representan las primeras ramas de las angiospermas. [52] Investigar cómo se relacionan las especies de plantas entre sí permite a los botánicos comprender mejor el proceso de evolución de las plantas. [206] A pesar del estudio de plantas modelo y el uso cada vez mayor de pruebas de ADN, existe un trabajo y una discusión en curso entre los taxónomos sobre la mejor manera de clasificar las plantas en varios taxones. [207] Los avances tecnológicos, como las computadoras y los microscopios electrónicos, han aumentado considerablemente el nivel de detalle estudiado y la velocidad a la que se pueden analizar los datos. [208]


Prueba de genes SL 3.1

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es la mejor definición de & quota gene & quot?

Un factor hereditario que produce una proteína.

La ubicación en un cromosoma de una longitud específica de ADN.

Un factor hereditario formado por una longitud de ADN que influye en una característica específica.

Toda la información genética de un organismo.

Un gen es un factor hereditario.

Está hecho de ADN y controla una característica específica.

A menudo, un gen produce una proteína, pero no siempre.

¿Qué término biológico se refiere a las diferentes formas de un gen que se diferencian por unas pocas bases?

Las diferentes formas de un gen se denominan alelos.

En la anemia de células falciformes hay dos alelos para la proteína hemoglobina. Estos se denominan Hb S y Hb A.

¿Cuál se cree que es la causa de la existencia del alelo Hb S?

A menudo surgen nuevos alelos por mutaciones. En el caso de la anemia de células falciformes, se trata de una mutación de sustitución puntual.

¿Qué fue lo que logró el consorcio internacional del Proyecto Genoma Humano en 2003 cuando anunció la finalización exitosa del Proyecto Genoma Humano?

Habían descubierto la función de todos los genes humanos.

Habían encontrado la secuencia de todos los aminoácidos en todas las proteínas humanas.

Habían secuenciado toda la secuencia de bases de genes humanos.

Habían secuenciado las bases de ADN de todos los genes conocidos.

La función de todos los genes aún se desconoce, pero se logró la secuencia de bases de un genoma humano completo.

En el proyecto de secuenciación del genoma de la rata de 2004, el Dr. Richard Gibbs y sus investigadores informaron que el genoma de la rata es más pequeño que el genoma humano y un poco más grande que el genoma del ratón.
Sin embargo, también encontraron que el genoma de la rata contiene aproximadamente la misma cantidad de genes que los genomas humanos y de ratón.

Especies Humano Rata Ratón
Tamaño del genoma 2.9 mil millones de pares de bases 2,75 mil millones de pares de bases 2.6 mil millones de pares de bases
Número de genes estimado 20000 hasta 30000 20000 hasta 30000 20000 hasta 30000
Número de cromosomas 46 42 40

¿Cuál de las siguientes sugerencias podría ser una explicación para una diferencia tan grande en el tamaño del genoma de estas tres especies cuando se cree que el número de genes es tan similar?

La mayoría de las diferencias en el tamaño del genoma se encuentran en regiones no codificantes del ADN, donde no hay genes.

Los seres humanos tienen más cromosomas y, por lo tanto, más pares de bases de ADN.

Las diferencias son menores que la precisión del método, por lo que no son diferencias significativas.

Los genes en humanos tienen una longitud mayor.

Los genes de las proteínas funcionales en procesos como la respiración deben ser los mismos en todos los seres vivos. Las proteínas estructurales para la piel, el cabello y la producción de leche deben ser muy similares en las tres especies porque comparten estas características comunes, ya que todas son mamíferos.

El siguiente diagrama muestra el cambio que diferencia el alelo HbA del alelo HbS en la anemia de células falciformes.

¿Cuál de las siguientes respuestas describe mejor este tipo de mutación?

Es una mutación de cambio de marco.

Es una mutación de sustitución de bases.

Es una mutación por deleción de bases.

Es una inversión de una parte de un cromosoma.

La base A se reemplaza con la base T en este diagrama, que muestra una sustitución de base.

El siguiente diagrama muestra el cambio que diferencia el alelo HbA del alelo HbS en la anemia de células falciformes.

¿Qué efecto tiene este tipo de mutación sobre la estructura de la proteína de la hemoglobina?

En el aminoácido número 6, el ácido glutámico se reemplaza por valina en la hemoglobina HbS.

La proteína no se sintetiza porque el gen es ilegible.

En el aminoácido número 6, la valina se reemplaza por ácido glutámico en la hemoglobina HbS.

En el tercer codón, GAG se reemplaza por GTG.

La estructura de la proteína (estructura de 1 & deg - HL) cambia porque un aminoácido ahora es diferente. En este caso, el sexto aminoácido se cambia de Glu (ácido glutámico) a Val (valina)


Información del autor

Estos autores contribuyeron igualmente: Atilgan Yilmaz y Mordecai Peretz.

Afiliaciones

Centro Azrieli de Células Madre e Investigación Genética, Departamento de Genética, Instituto Silberman de Ciencias de la Vida, Universidad Hebrea, Jerusalén, Israel

Atilgan Yilmaz, Mordecai Peretz, Aviram Aharony, Ido Sagi y Nissim Benvenisty

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Contribuciones

A.Y., M.P. y N.B. diseñó los experimentos, interpretó los datos y redactó el manuscrito, con el aporte de todos los autores. SÍ. realizó los experimentos y analizó los datos. M.P. realizó los análisis bioinformáticos. AUTOMÓVIL CLUB BRITÁNICO. asistido con los análisis bioinformáticos. ES. asistido con la caracterización de hESC haploides. nótese bien supervisó el estudio.

Autor correspondiente


Herencia mendeliana

Da la casualidad de que no todos los rasgos obedecen a este patrón de herencia. Pero los que lo hacen se llaman Rasgos mendelianos. Volviendo al cruce dihíbrido mencionado anteriormente, hay dieciséis genotipos posibles:

RRGG, RRgG, RRGg, RRgg, RrGG, RrgG, RrGg, Rrgg, rRGG, rRgG, rRGg, rRgg, rrGG, rrGg, rrgG, rrgg

Cuando calcula los fenotipos, ve que la razón de probabilidad de

verde redondo, amarillo redondo, verde arrugado, amarillo arrugado

resulta ser 9: 3: 3: 1. El minucioso recuento de Mendel de sus diferentes tipos de plantas reveló que las proporciones estaban lo suficientemente cerca de esta predicción como para que él concluyera que sus hipótesis eran correctas.


Ver el vídeo: Biología general capítulo 44 Anatomía de las plantas y transporte de nutrimentos (Septiembre 2022).


Comentarios:

  1. Arajinn

    Gracias por la explicación, también creo que cuanto más simple, mejor ...

  2. Juktilar

    lo que haríamos sin tu brillante frase

  3. Anwell

    En mi opinión, admites el error. Escríbeme en PM.

  4. Aragor

    Lamento interferir, pero sugiero ir hacia el otro lado.

  5. Maris

    ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡.

  6. Daimh

    Lo siento, pero creo que estás equivocado. Puedo defender mi posición. Envíeme un correo electrónico a PM.



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